你有没有想过，在火星那种稀薄到几乎真空的大气里，一架直升机要怎么飞起来？
2021年4月19日，NASA的"机智号"（Ingenuity）完成了人类历史上首次外星动力飞行。这架只有1.8公斤重的小家伙，原本只计划飞5次，结果硬是撑了72次飞行，活了将近三年。但说到底，它只是个技术验证机——能飞，但带不了什么正经的科学载荷。
现在NASA想玩更大的。他们正在测试下一代火星直升机的旋翼，目标很明确：飞得更远、载得更重、干更多活。而最新的测试数据，已经让工程师们看到了一些过去不敢想的可能性。
在模拟火星的环境里，把旋翼尖推到超音速
今年3月，NASA喷气推进实验室（JPL）的工程师们完成了一项听起来有点疯狂的测试。他们把一个三叶旋翼放进一个能模拟火星大气的特制舱室里——里面的空气被抽掉，换成低密度的二氧化碳，跟火星表面的大气成分基本一致。
然后他们开始加速。旋翼转速不断攀升，直到叶片尖端的速度突破了1马赫，也就是音速。最终定格的数字是Mach 1.08——比音速快了8%。
137次测试，没有损坏。这是关键。
你可能觉得，超音速不是战斗机才玩的东西吗？直升机旋翼尖端超音速，在地球上其实是件挺危险的事。音爆会产生剧烈振动，叶片可能抖到解体。但在火星那种稀薄大气里，音速本身比地球低（大约240米/秒，地球上约343米/秒），而且空气密度只有地球的1%左右。这意味着同样的转速下，叶片承受的阻力小得多，但升力也小得多。
工程师们要的就是这个平衡点：转得够快，产生够用的升力，但又不会因为振动把自己震碎。
30%的升力提升意味着什么
根据JPL公布的数据，这套新设计有望让未来火星直升机的升力能力提升30%。别小看这个数字——在火星上，每一克载荷都是 precious 的。
升力多了30%，意味着你可以多带一套科学仪器，或者换一块更大的电池，或者干脆把航程拉得更长。对于火星探测来说，这相当于从"能飞"跨到了"好用"。
机智号的继任者们被寄予的期望，正是"好用"。JPL火星探测项目经理Al Chen在5月7日的官方声明里说得很直接："NASA和机智号的合作非常成功，但我们希望下一代飞行器在火星上承担更多任务。"
翻译一下：别再当技术演示了，该正经干活了。
SkyFall：六架直升机从天而降
下一代火星直升机目前有两个主要方向在并行推进。
一个是SkyFall任务概念。按照设计，2028年12月，三架升级版火星直升机将被送往火星。但投放方式很特别——它们不是像机智号那样折叠在火星车肚子里，而是从空中直接扔下去。
字面意义上的"扔"。降落伞减速，然后释放，直升机自己想办法安全着陆。这种设计省去了火星车作为"母舰"的限制，可以让直升机去更偏远、更危险的地方。
工程师们还测试了一种更长的双叶旋翼，专门给SkyFall用。叶片越长，扫过的空气越多，理论上能产生的升力也越大。但长叶片在超音速边缘的振动控制更难，这就是为什么他们需要在那间模拟舱里反复折腾。
另一个方向走得更远。Dragonfly——一架核动力无人机，目标不是火星，而是土星的卫星泰坦（Titan）。NASA已经开始建造这架探测器，计划2028年发射。泰坦的大气比火星浓密得多，但温度是零下180度，而且距离太阳太远，太阳能不靠谱，只能靠核电池。
Dragonfly的设计思路和火星直升机完全不同，但旋翼空气动力学的底层经验是相通的。JPL的测试数据，两边都能用。
为什么非要让直升机上火星？
这个问题其实值得一问。火星车不是挺好的吗？毅力号、好奇号，不都在那儿跑得挺欢？
问题在于速度。火星车一天能挪几百米，碰到陡坡、沙地还得绕着走。直升机呢？机智号单次飞行最远飞了700多米，几分钟的事。对于地质学家来说，这意味着可以在几天内巡查一片区域，而不是几年。
更关键的是视角。火星车只能看到眼前几米高的东西，直升机可以俯瞰整片地形，帮地面团队规划路线、识别危险、发现有意思的目标。
机智号已经证明了这套逻辑可行。它在杰泽罗陨石坑的飞行，多次帮毅力号找到了值得采集的岩石样本。下一步，就是让这个工具从"锦上添花"变成"必不可少"。
超音速旋翼的隐藏挑战
回到那个Mach 1.08的测试。突破音速本身不是目的，目的是验证"还能更快多少"。
火星大气的稀薄是一把双刃剑。好处是阻力小，坏处是升力小。为了获得足够的升力，旋翼必须转得极快——机智号的旋翼转速是每分钟2400转，下一代设计可能更高。转速越高，叶片尖端越容易逼近音速。
工程师们需要精确知道，在哪个转速区间，振动会变得不可控；在哪个区间，升力效率开始下降；以及，如果非要突破音速，叶片的形状、材料、角度该怎么调整。
那间模拟舱的价值就在这儿。它能复现火星的大气密度、温度、成分，还能用风扇制造侧风，模拟真实的飞行环境。137次测试，就是在这些变量之间找最优解。
还有一个悬念
文章读到这里，你可能会觉得下一代火星直升机已经十拿九稳了。但NASA的官方口径始终留有余地。
SkyFall目前还是"任务概念"（mission concept），不是正式批准的任务。Dragonfly虽然已经开始建造，但发射日期已经从2027年推迟到2028年，未来还可能再变。至于那个Mach 1.08的三叶旋翼设计，最终会不会被采用，还要看后续测试和任务需求的变化。
Al Chen的表态也很谨慎："我们相信能做到"——这是原话，不是"我们已经做到"。
这种措辞上的微妙差别，在航天领域很重要。技术验证和任务执行之间，往往隔着几年的距离和数不清的预算会议。
从机智号到下一个十年
2021年机智号首飞的时候，控制室里有人哭了。那是一个持续了几十年的梦想的实现：在另一个星球上，用人类设计的飞行器，完成动力飞行。
但那个时刻的真正价值，可能是它证明了"这行得通"。接下来的问题变成了：还能怎么改进？
超音速旋翼测试是答案的一部分。更大的载荷、更远的航程、更独立的部署方式，是另一部分。NASA正在同时推进多条技术路线，有的针对火星，有的针对泰坦，有的可能两者兼顾。
对于普通人来说，这些进展的意义或许在于：我们对太阳系的探索方式，正在从"派一辆车慢慢爬"变成"派一支机队到处看"。火星的天空曾经只属于轨道器和偶尔掠过的陨石，现在，它开始属于直升机了。
而且它们可能飞得比声音还快——至少在火星上。
热门跟贴