火星偵察兵：美國宇航局瘋狂的火星直升機計劃

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共5268字，65圖。預計閱讀時間：30分鐘。

2018年5月中旬，美國宇航局NASA宣布了最新的決定：

在2020年飛往火星的探測器上，攜帶一架能夠在火星垂直起降的無人直升機，以便更好地執行火星勘探和科學研究任務。

這將是人類第一款能夠在火星飛行的直升機。

人類為什麼要研製火星直升機？

火星偵察兵，這款火星無人直升機長什麼樣？

在火星大氣層內飛行的航空器與在地球大氣層內飛行的航空器，在設計的時候，有哪些不同？

本文，小火箭就和大家一起探討一下。

背景

今天晚上，很好的月光。

——魯迅《狂人日記》

不僅月球是美的，火星也擁有妙不可言的美好。

世界標準時間公元1971年5月30日22點23分00秒，北京時間1971年5月31日06點23分00秒，水手9號探測器搭乘宇宙神-半人馬座運載火箭發射升空，獨自奔向火星。

協調世界時公元1971年11月14日00點42分00秒，在太空中孤獨地飛行了5個多月的水手9號探測器進入繞火星軌道。她開始拍攝火星地表照片並用紅外線和紫外線儀器分析火星大氣。

這是水手9號探測器拍攝的奧林匹斯山的樣子。

奧林帕斯山的最高峰高於火星基準面21229米。山體周圍環繞4至8公里高的山壁。地球上有著珠穆朗瑪峰的喜馬拉雅山脈跟火星上的奧林匹斯山相比就有些相形見絀了。而且，奧林匹斯山山脈的面積巨大：

火星奧林匹斯山與法國的領土比較。

在很長一段時間裡，人們都認為奧林匹斯山是太陽系內最高的山峰（或許很多人至今仍有這個認識）。不過，實際上，在2011年，黎明號深空探測器繞著小行星灶神星轉了轉，測定了上面名為雷亞希爾維亞中央峰的山峰，其峰頂高於基準面22000米，刷新了太陽系內已知最高山峰的紀錄。

這是水手9號探測器拍攝的火星奧林匹斯山的細節照片。這張照片非常有名，基本上，70後和80後小時候看到的有關火星的照片中，這一張是出鏡率最高的了。

這是水手9號探測器在1971年底拍攝的火星上的一個複雜的峽谷系統的照片。因水手9號，該峽谷得名為水手谷。

水手谷是火星上最大的峽谷，也是目前已知的太陽系內最大最長的峽谷，位於塔爾西斯火山高原的東側，長3769公里、最深處7公里，是一個複雜的峽谷系統。這是海盜1號探測器拍攝的火星高清照片。我們可以看到橫亘在火星腰部的複雜地貌就是水手谷。

這是火星奧德賽號拍攝的水手谷照片（需要把手機橫過來看）。

水手9號探測器拍攝的水手谷

水手9號拍攝的水手谷。這張照片採用了紅藍3D處理。可以佩戴紅藍眼鏡看出水手谷的3D效果。

水手9號是人類第一艘環繞除地球之外的其他行星運行的航天飛行器。從此，也就是開啟了人類派遣飛行器去深度了解火星的時代。

2008年，洛克希德·馬丁公司為美國宇航局NASA研製的鳳凰號火星探測器證實在火星表面存在水冰。

波音與洛克希德·馬丁聯手打造的好奇號火星車，正在為滿足人類的好奇心而奮力做著探索。上圖為好奇號火星車的自拍照。攝於地球時間2015年10月6日，地點為火星夏普山的山腳下。

好奇號把鏡頭伸出去的自拍的長臂已經由多圖疊加和特殊演算法等技術被隱藏掉了。

近50年以來，人類工程師不懈努力，發射了環繞火星飛行的觀測衛星，原本用于軍事的偵察衛星技術如今在為科學服務。

工程師給火星探測器裝備了鑽頭和鏟子，給她們設計了直徑50厘米的車輪，賦予了火星探測器深入火星表面探索和自由活動的能力。

那麼，下一步，自然就是飛行了。

小火箭認為，發展火星飛行器，有4個意義：

第一：能夠為人類未來在火星的飛行活動積累技術；

第二：能夠獲取比繞火星飛行的偵察衛星解析度高至少1個量級的航拍數據；

第三：能夠擁有比火星漫遊車輛更強的機動能力和更廣的活動範圍。

第四：萬一發現了火星獸，飛行器明顯要比漫遊車更能追蹤和自保。

這就是火星航空器誕生的背景。

設計

從來如此，便對么？

——魯迅《狂人日記》

人類對火星的探測，從來都是繞火星運行的衛星+火星表面探測器+漫遊車的模式。如今，終於有所突破了。

美國宇航局NASA最新提出的火星偵察兵飛行器方案，是一種基於共軸雙旋翼技術的無人直升機。

整架直升機，總重只有1.8公斤（在地球上）。

考慮到火星的特殊環境，火星直升機的設計也和地球上的直升機有所不同。

上圖，從左至右為：地球，火星和月球。

火星的個頭兒介於地球與月球之間。如果把地球掏空，把火星變成像棉花糖那樣柔軟的話，1顆地球可以塞進去6顆火星。

火星的質量相當於地球的十分之一。

那麼，綜合考慮的話，在火星表面的重力加速度就相當於地球的38%了。

也就是說，在地球上重100斤的物體，在火星上，用彈簧秤稱起來就只有38斤了。

質量為1.8公斤的火星直升機，在火星表面，僅重0.68公斤，那麼，是不是更容易起飛了呢？

別忙，對於航空飛行器來說，不僅要考慮起飛重量，還得考慮升阻特性呢。而火星的大氣與地球大氣是迥異的。

地球大氣：78%的氮氣，21%的氧氣，1%的其他氣體。

火星大氣：96%的二氧化碳，不到2%的氬氣，不到2%的氮氣，還有一些其他氣體。

而最為要命的是：

火星的大氣密度只有地球的百分之一！

從繞火箭軌道上拍攝的火星稀薄且充滿塵埃的大氣層。注意上圖左下角就是阿爾及爾平原。海盜1號探測器，攝於1976年。

在小火箭公號文章《執行作戰任務的直升機為什麼要做高原測試？》中，小火箭對旋翼系統在稀薄大氣中的性能進行了分析。

氣動方面，以UH-60黑鷹直升機的旋翼系統為例子。

黑鷹直升機的旋翼槳葉採用了SC1095翼型。這種翼型比較適合黑鷹這種個頭兒的多任務直升機。上表為SC1095翼型的上下翼面坐標表格，可以根據個人情況來自行做氣動計算的建模。

鑒於國內外對該翼型已經有了較多的分析，本文不再贅述計算旋翼空氣動力學的細節，只說結果了。

直升機旋翼系統的效能隨著海拔高度的增加而下降的主要原因是大氣密度的減小。

通常來說，國際上的標準大氣會用上面這個圖來表示大氣密度隨高度變化的曲線（兩種不同的模型）。但是，小火箭覺得，實際計算中用絕對值不是很方便。

這是小火箭個人比較喜歡的一種方式：將壓強、密度和溫度值都與海平面的相應的數值進行歸一化處理，這樣得到的直接就是相對量了，可以在彈道計算和性能估算中較為方便地使用。

由上圖可知，在海拔4000米處，大氣密度是海平面的66.88%。（標準大氣，海拔4000米的大氣密度為0.8194千克/立方米，海平面的大氣密度則為1.225千克/立方米。）

黑鷹直升機的槳葉翼型是SC1095。通過計算可以知道：

在海拔4000米環境下，旋翼拉力將下降30%以上。

如果按旋翼功率來計算的話，功率會下降33%。

在1號特徵點，UH-60黑鷹直升機的SC1095槳葉取拉力係數0.0076187，那麼，在海平面，黑鷹的拉力理論值為101.029千牛，而在4000米海拔的實測值為67.539千牛。

也就是說，黑鷹直升機的旋翼拉力在高原地區僅剩66.85%。

總距增大，進入6號特徵點，拉力係數拉滿，按照這種翼型來計算，拉力係數可達0.009294，這已經非常可觀了。此時，槳葉能夠提供海平面123.232千牛的巨大拉力。

而到了4000米海拔的高原，其實測拉力僅為82.391千牛，是海平面理論值的66.85%。

以上是旋翼拉力和功率相關的氣動計算和實測結果。實際上，直升機在高原執行任務的時候，還面臨一個需要快速對飛行員的執行形成響應的問題。

在高原地區，槳葉響應速度變慢很多，需要直升機有足夠的動力餘量，同時需要飛行員有足夠高超的駕駛技術。

另外，如果直升機上採用了風冷式的交流發電機的話，由於高原大氣較為稀薄，進風量相對較小，發動機工況不佳，容易產生髮電量不足的情況。

大氣壓力和空氣的含氧量是隨高度的增加而逐漸減小的。實際上，不用說大氣密度只有地球百分之一的火星了，就算是在地球上，海拔稍微高一點，氧氣濃度也是驟減的。

小火箭風格：

在海拔1000米處，大氣壓力為海平面處的88.1%，含氧量為海平面處的92.4%。在海拔3000米處，大氣壓力進一步減小為海平面處的51.4%，含氧量則減少為海平面的61.8%。

在火星上，因為氧氣含量極低，只能用電動機。因此傳統航空發動機的燃燒效率問題，咱們在本文無需探討了。（不過，小火箭非常期待未來人類能夠把火星改造為擁有適宜呼吸的氧氣濃度的星球。）

僅僅從旋翼效率上來說，研製火星直升機的這個想法，也是足夠瘋狂的。

按照旋翼空氣動力學和火星大氣參數來推算，火星直升機哪怕是停在火星表面，其空氣動力學環境也已經相當於地球高空30375米的情況了！

起步就是3萬米，厲害了！

而人類工程師之前能夠做到的旋翼系統的有效工作上限是12150米，也就是1.2萬米。

那麼，在火星上，如何解決旋翼效率的棘手問題呢？

目前，工程師們的想法是：盡量提高旋翼的旋轉速度；盡量減輕飛行器的重量。

火星偵察兵型直升機的旋翼轉速，達到了驚人的3000轉每分鐘！

而通常，地球上的直升機旋翼的轉速，為300轉每分鐘。

火星直升機的旋翼轉速剛好相當於地球直升機的10倍。

計劃

火星偵察兵無人直升機在火星上，將會試著先去連續執行5次試驗任務。

第一次試驗任務，是垂直上升到3米的高度，然後以火星車為中心，盤旋飛行26秒到35秒。

隨後的4次試驗任務，火星偵察兵無人直升機的持續飛行時間會逐步延長，然後改盤旋飛行為航跡飛行。

爭取能夠實現連續90秒的飛行時間，500米以上的飛行距離。

火星偵察兵無人直升機能夠實現比火星偵察衛星高出1個量級的超高解析度的拍攝，同時，其一張照片所涉及到的範圍，會是傳統火星漫遊車要花1個月的時間才能夠遍歷的。而且不用擔心被石頭絆住或者陷入流沙了。

火星古瑟夫撞擊坑充滿沙石的表面。

火星赤道的線速度為868.22公里/小時，這就意味著火星的自轉周期與地球類似。

小火箭風格，火星的一晝夜：

24小時37分鐘22.6秒。

不過，火星的公轉周期比地球要長一些，為687天，差不多是地球的2倍。

火星也有春夏秋冬，不過每個季節都相當於地球的6個月長。

火星偵察兵無人直升機的頂部，有太陽能電池板。如有需要，她直徑1.1米的雙旋翼系統也可改為太陽能電池板。

在白天，吸收太陽能之後，她能夠持續飛行90秒（爭取能夠變為180秒，也就是3分鐘），然後著陸自己充電。電量足夠之後，她可以繼續起飛，執行新的偵察任務。

到了晚上，她可以自主尋找合適地點著陸，然後進入休眠模式。內置的加溫系統可以幫助她熬過火星的嚴寒。

旋翼

說起共軸雙旋翼技術，大部分人的第一反應就是蘇聯卡莫夫設計局了。

以卡-27和卡-32為代表的型號，形成了直升機設計領域的一大技術流派。

既然共軸雙旋翼技術一直以來都是以蘇聯/俄羅斯的直升機為主要代表型號，那麼，美國工程師有沒有掌握該技術呢？

有的，而且還是無人的。

這是美國QH-50共軸雙旋翼無人直升機在艾倫·薩姆納號驅逐艦上（小火箭怎麼知道的？看到了DD-692的編號）正要去執行反潛任務的場景。

該型驅逐艦被譽為第二次世界大戰期間，美國研製的最好的驅逐艦。此時，該艦正在地中海巡弋。攝於1969年1月份。

QH-50共軸雙旋翼無人直升機，1959年首飛，1963年入役，共投產755架，為美國工程師積累了共軸雙旋翼技術的大量寶貴經驗。

注意上圖QH-50無人直升機後面，有一門防空火炮。看樣子，應該是M118型90毫米防空炮。

經費

美國宇航局NASA的2019財年預算提案裡面，有關火星探測的專項經費為6.015億美元。其中，火星2020項目分得的經費為3.48億美元。

在今年（2018年）5月中旬的最新決定中，火星偵察兵無人直升機拿到了2230萬美元的支持，看起來，這個被很多人稱作瘋狂計劃的方案，是準備認真做下去了！

有關火星空氣動力學的風洞等試驗設備，目前也已經就緒。上圖為美國宇航局NASA的工程師在對洞察者號火星探測器的降落傘進行測試準備。

按計劃，火星偵察兵無人直升機將在2020年7月，搭乘ULA發射聯盟的宇宙神 V運載火箭奔赴火星。

如果一切順利的話，在2021年2月，我們就能夠看到火星偵察兵為期30天的火星飛行試驗了！

期待

以前，我們對火星的探索，是這種形式。

以後，小火箭希望能夠是這種方式。

夢想還是要有的。

想當年，馮·布勞恩博士在迪士尼公司當高級顧問，向民眾傳播太空探索的必要性，展望人類的未來時，曾被很多不了解火箭技術的民眾誤以為是「編劇」和「兒童劇作家」。

上圖為懷特·迪士尼（左）與馮·布勞恩博士（右）的合影。

當然，布勞恩博士是不會計較什麼頭銜的。

「我的火箭，彈道精準，只不過落在了錯誤的星球上。」

他對人類登月和人類登陸火星始終抱有十足的信心。為了喚起民眾對太空的嚮往，到底他的頭銜是人類太空探索事業的推動者還是迪士尼頻道的大眾科普名人，這個就不重要了。

小火箭希望火星偵察兵無人直升機能夠如期在2020年奔赴火星，同時也期待這樣的技術能夠提升地球上的旋翼系統的效能，讓地球上的直升機可以飛行在更高的天空上。

《狂人日記》是魯迅先生的一篇短篇作品，收錄在他的短篇小說集《吶喊》中。《狂人日記》是中國第一部現代白話文小說，首發於公元1918年5月15日4卷5號《新青年》。今天，是《狂人日記》發布100周年，小火箭與大家共同紀念。

版權聲明：

本文是邢強博士原創文章。歡迎朋友圈轉發。

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