NASA新一代火星直升机获重大突破：旋翼叶尖成功突破音障，达马赫1.08

本文来自微信公众号：NASA爱好者，作者：Vger

近日，NASA在喷气推进实验室（JPL）完成了一项极具里程碑意义的测试：在模拟火星大气的环境中，下一代火星直升机的旋翼叶片尖端速度成功突破音速，达到了马赫1.08。

这一突破为后续性能更强的火星飞行器研发扫清了关键障碍，未来这类飞行器将能够携带更重的科学探测设备与任务载荷，在火星开展更深入的低空探索工作。

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从“机智号”开创历史到下一代能力升级

2021年4月19日，NASA的机智号火星直升机完成了人类历史上首次地外天体动力受控飞行，彻底改写了人类航天探索的历史。不过机智号本身只是一项技术验证样机，并没有搭载专门的科学探测仪器。

如今NASA已经将目光投向了更远的未来，最新推进的SkyFall项目以及其他在研的火星飞行器方案，都要求具备实际搭载能力：需要承载科学仪器、探测传感器，甚至要为未来载人任务或机器人探测任务提供支持。而要实现这些目标，核心突破点就在于提升旋翼的性能上限。

NASA火星探测项目经理Al Chen表示：“机智号已经完成了非常出色的工作，但我们对下一代火星飞行器提出了更高要求。在火星飞行难度极大，因为火星大气极其稀薄，密度仅相当于地球的1%，同时火星又存在不小的引力，想要获得足够升力是非常大的挑战。”

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为什么一定要挑战叶尖突破音速？

在地球上，想要提升旋翼的推力通常的做法是提高转速或者增大旋翼直径。但在火星环境下，工程师必须采用更激进的方案。

因为火星大气密度极低，只有把旋翼叶片的尖端速度推到音速级别，才能产生足够支撑飞行器飞行的升力。机智号在72次飞行任务中，始终将旋翼转速控制在每分钟2700转以内，叶片尖端速度也一直保持在马赫0.7左右，这么做的目的就是避开音障附近难以预测的复杂空气动力学现象。

喷气推进实验室的旋翼测试负责人Jaakko Karras幽默地说：“如果第一个突破音障的传奇飞行员查克·耶格尔在这里，他一定会告诉你，马赫1附近的气流情况会变得非常‘古怪’。我们想要让下一代火星飞行器拥有更强的性能，就必须验证旋翼能够在更高转速下安全稳定运行。”

值得一提的是，火星上的音速大约为每小时540英里，也就是约869公里每小时，比地球海平面的音速（大约每小时760英里）要低不少。

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严苛测试：在耐高压的太空模拟舱内完成挑战

测试团队将AeroVironment公司制造的三叶旋翼，安装在喷气推进实验室著名的25英尺太空模拟舱当中。他们先抽出舱内空气，再充入适量二氧化碳来模拟火星的大气环境，之后逐步提升旋翼转速，同时用风扇制造迎风条件来模拟真实飞行场景。

为了避免意外发生，工程师还在舱内的关键位置铺设了金属板做防护。测试过程中，旋翼转速最高达到了每分钟3750转，叶片尖端速度先达到了马赫0.98，之后在迎风条件下成功突破到马赫1.08。

这次突破直接将火星飞行器的升力能力提升了30%，意味着未来的火星直升机可以携带更重的科学载荷、更大容量的电池，完成更远距离、更复杂的探测任务。

在这之后，团队还测试了尺寸稍长的SkyFall项目两叶旋翼，仅需要每分钟3570转的转速就能达到相近的叶尖速度。NASA埃姆斯研究中心的空气动力学家Shannah Withrow-Maser兴奋地表示：“我们原本觉得能达到马赫1.05就已经很不错了，没想到最终冲到了马赫1.08！目前我们还在深入分析测试数据，说不定旋翼还有更多性能潜力可以挖掘，这些下一代火星直升机未来一定会带给我们很多惊喜。”

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未来展望：SkyFall任务即将启程

SkyFall任务团队已经把本次测试得到的成果纳入了项目的设计标准当中，该任务计划在2028年12月向火星发射三架下一代火星直升机，延续机智号的传奇，开启火星低空探索的全新时代。

从完成人类首次地外天体动力飞行的壮举，到如今突破音障的坚实一步，NASA正在一步步把科幻想象变成现实。未来，人类或许就能借助这些灵活的“空中侦察兵”，更深入地了解火星的地质特征、气候演化以及潜在的生命迹象，为后续载人登陆火星铺平道路。

火星探索的脚步，从未停止。

参考资料

https://www.nasa.gov/solar-system/planets/mars/nasa-pushes-next-gen-mars-helicopter-rotor-blades-past-mach-1/