本月底飞向火星，地球以外的第一架航空器将会是直升机而非飞机

　　＂即将到来＂的地外航空器首飞
　　1972年6月12日，伊斯特尔机场，法国宇航公司的首席试飞员让·布勒特驾驶该公司的第一架SA 315型直升机爬升到了海拔12442米的高空，创下了直升机飞行海拔的世界纪录。有意思的是，NASA（美国国家航空航天局）计划在大概一年之内，在＂这个世界记录2.5倍的高海拔空域环境下＂飞一飞其研制的一型电动直升机。
　　▲SA 315直升机是一型法印合作的轻型直升机，专门针对高原性能进行了优化设计
　　对于专注直升机或者军事科技领域的读者朋友，读到这儿，想必已经知道这架直升机的来历了。没错，这架NASA出品的小型无人直升机正是以红色星球——火星——为目标的一架旋翼类航空器，尽管它只需要在距离火星地面5米高处飞行，但是其气动环境大致与咱们地球上海拔30480米处的气动环境相当。
　　▲火星2020＂漫游者＂探测车登陆火星的艺术渲染图
　　这架火星无人直升机将会被折叠起来然后安装在NASA的＂火星2020漫游者＂探测器上，该车长3米，宽2.7米，高2.13米，总重约为1025公斤。＂漫游者＂计划在本月月底发射，如果一切顺利，将会在明年2月18日登陆火星，所以说，火星直升机将会经历7个月左右的太空旅程。
　　火星直升机项目主要是由NASA的＂喷气推进实验室＂负责的，此次无人直升机登陆火星对他们来说主要还是一次技术上的演示验证——他们希望知道如此设计的旋翼类飞行器是否真的能够在这颗红色星球上面飞行。如果此次测试时成功的话，那么NASA势必会借助此次研制的经验和试飞的数据来打造一架更大的火星直升机，以便搭载各种科学仪器来推进火星探测工作。
　　▲火星直升机设计团队正在安装该机的旋翼系统测试设备
　　火星的大气层（95%）与地球有着极大的区别，其密度大约只有地球的1%，这就使得基于气动飞行的航空器在火星上飞行极其困难。正如前文所述，火星上飞行五米高度的空气密度大概就相当于地球上3万米高空的空气密度，还有一个问题是火星上几乎没有空气流动，这也是火星直升机旋翼设计转速高达2800RPM（常规直升机的5~10倍）的几个原因。
　　▲火星的大气层和地球的大气层可谓是天差地别
　　可以说，要在火星这种大气环境下飞直升机，可比布勒特把SA 315飞到万米高空要难得多，那到底是什么给了NASA的研究人员设计这样一种直升机的信心呢？答案就是：重力。
　　尽管火星的大气密度远低于地球，但同时，火星的重力也比地球上小得多，定量来说，火星上的重力大概只有地球上的38%。在地球这种程度的引力条件下，一架直升机要想飞到3万米高空无异于天方夜谭，但是由于火星的引力比较小，这方面的表现可能还要好一些。面向实际问题，火星直升机设计概述
　　就尺寸而言，NASA火星直升机的大小和上世纪30年代美国航空发明家阿瑟·杨开发设计的遥控直升机差不多，杨在上世纪40年代初向贝尔公司的负责人演示了他的发明创造，由此拉开了他在贝尔公司创造直升机的传奇故事的序幕，后人评价这段历史都认为阿瑟·杨在贝尔直升机公司发展历程中的作用几乎比肩贝尔本人。
　　▲阿瑟·杨和他的遥控直升机
　　言归正传，NASA希望这架小型无人直升机也想阿瑟·杨一样创造历史，不同的是，这段新的历史将会在火星上创造。火星直升机的旋翼直径为1.19米，由AeroVironment公司所制造，桨叶采用了泡沫填充芯和复合材料蒙皮，并具有独特的扭转和弦长（最宽处高达150毫米）设计。影响桨叶外形设计的关键参数之一就是火星大气的雷诺数，雷诺数表征的是在流体中运动的物体惯性力与粘性力的比值，火星直升机的作业环境基本都是＂低雷诺数区域＂，所以其桨叶外形也要针对进行专门的优化设计。
　　▲正在接受测试的火星直升机旋翼桨叶
　　作为总师单位，NASA＂喷气推进实验室＂主要进行的工作是设计了火星直升机的＂大脑＂。其中包括用于飞行器操纵和控制的四台微型计算机，此外还有微机电陀螺仪、微机电加速度计、用于视觉导航的基于照相机的＂感知系统＂和激光高度计。
　　▲火星直升机部件示意图
　　四台微型计算机中间的一台主要执行底层任务，就是控制另外的三台微型计算机和其他航电设备；另外两台微型计算机需要负责的就是＂自动驾驶级别＂的操纵任务；第四台微型计算机性能相当于当下的旗舰级智能手机，主要负责更高级别的导航和自主飞行任务。
　　▲在模拟火星环境试验中的火星直升机
　　火星直升机的动力输入通过六块索尼VTC4锂离子电池来实现的，每块电池的尺寸与AA碱性电池相当，装在一套电池组中，并连接到太阳能充电板上，以便能够自行充电。
　　在火星表面工作还存在一个隐患就是＂低温＂的问题。由于火星表面的大气层极其稀薄，所以其热量很容易耗散，火星表面的温度一般会介于零下143℃到22℃之间。所以，火星直升机的电池组和机身都采用了隔热措施，前者主要通过一层二氧化碳气体实现绝缘隔热，后者主要通过隔热膜包覆来隔热。当然，火星直升机本身也已经通过了NASA的一系列低温测试。
　　▲研究人员正在监测火星直升机的测试数据
　　除了面对火星的恶劣环境之外，火星直升机其实还面临另一项挑战——那就是他必须要在长达7个月的太空旅行中＂幸存＂下来，从这个角度来说，火星直升机不仅仅是传统意义上的航空器，更是一架需要穿越太空的航天器。火星直升机将会面临发射振动、发射重力等问题，最后进入到火星大气层之后着陆阶段也会面临一系列的外力作用，火星直升机结构强度设计必须要能够通过这所有的＂考验＂。
　　▲一名工作人员正在将火星直升机安装到＂漫游者＂的腹部
　　为了保护火星直升机，研究人员还为其打造了一副复合材料外壳，这种外壳能够在发射阶段、太空旅行阶段和着陆阶段保护火星直升机。不过在完成着陆之后，这套外壳将会被直接抛弃，＂火星2020漫游者＂将会在规定的着陆点着陆，然后通过机械臂调整火星直升机的方向使其保持竖直，在确保火星直升机的四条支撑臂展开之后，＂漫游者＂就会松开机械锁扣，使火星直升机从高约15公分的地方＂坠落＂到地面。完成这一系列操作之后，＂漫游者＂将会开到安全距离，从而留出足够的空间让火星直升机起飞。
　　▲四个支撑臂展开着陆状态的火星直升机艺术渲染图
　　一旦起飞成功，火星直升机就将成为地球以外第一架飞起来的航空器。＂必须可靠＂的自主飞行能力
　　▲在火星上执行任务的火星直升机艺术渲染图
　　地球上各个点到火星的距离各不相同，不过平均值为2.25亿公里，这么远的距离意味着一次从地球到火星的信号传递（经过多种中转站转接）过程可能需要耗时五到二十分钟的时间。在这种时长尺度上，科学家等于＂无法操纵任何东西＂，因为如果要实现遥控操纵的话，那么你在地球上按下按钮，至少需要等上十分钟，你才能得到一个反馈，问题是，在你收到反馈的时候，实际情况可能已经发生了变化。
　　这就意味着：火星直升机必须要具备完全可靠的自主飞行能力。
　　▲飞行中的火星直升机艺术渲染图
　　为此，火星直升机的飞控系统将会执行＂预编程＂的命令来飞向科学家所要求其飞到的目的地。这些预编程的数据将会从地球上发送出去，并通过空间中继站转发给火星直升机。这些输入到火星直升机的微型计算机内之后，就会按要求分配给该机的＂感知系统＂——包括陀螺仪、加速度计、照相机和激光高度计——来完成科学家所要求的飞行任务。
　　▲自带的太阳能电池板能确保火星直升机有足够的电力完成任务
　　从操纵结构的机械原理来说，火星直升机的操纵机构和常规直升机没什么太大的区别，都是通过自动倾斜器来实现的总距操纵和周期变距操纵——通过总距操纵，就可以实现火星直升机的上升或者下降；通过周期变距操纵则可以火星直升机的俯仰或者滚转运动，从而使其能够实现前后、左右的移动。
　　当然所有的这些操作本质上都是通过微型计算机本身来处理实现的，科学家所需要给定的只是一个XYZ坐标点而已，这也里说下了航空器和地面探测车的不同：对于＂漫游者＂，科学家给的指令指令只是一个XY坐标点。这是二维和三维的差异，也是航空器作为一种新式探测器加入到太空探索开发的第一步。
　　▲飞行中的火星直升机艺术渲染图
　　其实NASA也没有指望首次探测工作就取得突破性的进展，他们对火星直升机的期望仅仅只是＂五次飞行任务＂而已。此外，由于火星直升机在火星上其旋翼性能势必和其在地球上（试验设施中）是有差别的，并且目前还无法实时测量火星上的风速，为了避免意外情况的发生，火星直升机每次飞行时间都会控制在90秒钟之内，两次飞行之间还需要两到三天的时间来为直升机的电池充电。
　　自从上世纪70年代以来，NASA曾多次启动火星航空器项目，但却也多次停止，而这一次，也许是NASA最成功的一次，而且，这次的航空器是一架直升机，这也是我最感兴趣的一个点。一点总结
　　如果现在在火星上有一条铺设完好、坚固可靠的混凝土跑道，那么登陆这颗红色星球的第一种航空器可能会是一架固定翼飞机，但显然，我们不可能在对火星有足够的认识之前，在其上面打造出这样一条跑道来。
　　换个方向来说，我们也不会派遣一架固定翼飞机去营救被困在珠穆朗玛峰上的探险家、也不会派遣一架飞机去近距离巡查某个山区的电力线缆故障，随着航空业的发展，直升机愈发凸显出其在现代社会中独特的作用和地位。
　　▲火星直升机与漫游者登陆火星艺术渲染图
　　也许，火星会是直升机大放异彩的另一个舞台。