NASA下一代火星直升機(jī)旋翼葉片成功突破音速，馬赫1.08

近日，NASA在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）完成了一項(xiàng)里程碑式測(cè)試：下一代火星直升機(jī)的旋翼葉片在模擬火星大氣環(huán)境中，葉片尖端速度成功突破音速（馬赫1.08）。

這一成果將為未來(lái)更強(qiáng)大的火星飛行器鋪平道路，讓它們能夠攜帶更重的科學(xué)儀器和有效載荷，在紅色星球上進(jìn)行低空探索。

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從“機(jī)智號(hào)”到下一代

2021年4月19日，NASA的機(jī)智號(hào)（Ingenuity）火星直升機(jī)完成了人類(lèi)歷史上首次在另一個(gè)星球的動(dòng)力受控飛行，徹底改寫(xiě)了航天史。但機(jī)智號(hào)只是一項(xiàng)技術(shù)演示驗(yàn)證機(jī)，并未攜帶科學(xué)儀器。

如今，NASA的目光已經(jīng)投向更遠(yuǎn)的未來(lái)。最新公布的SkyFall項(xiàng)目以及其他潛在的火星飛行器，將具備實(shí)際搭載能力，它們需要攜帶科學(xué)儀器、傳感器，甚至支持未來(lái)載人或機(jī)器人任務(wù)。而要實(shí)現(xiàn)這一切，核心就在于旋翼性能的突破。

Mars Exploration Program經(jīng)理Al Chen表示：“機(jī)智號(hào)已經(jīng)很出色，但我們對(duì)下一代飛行器的要求更高。在火星飛行極其困難，因?yàn)槟抢锏拇髿鈽O其稀薄（僅為地球的1%），卻仍有可觀的引力，產(chǎn)生升力極為挑戰(zhàn)。”

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為什么必須突破音速？

在地球上，增加旋翼推力的方法通常是提高轉(zhuǎn)速或增大直徑。但在火星，工程師必須更加激進(jìn)。

由于大氣密度極低，只有將葉片尖端速度推向音速，才能產(chǎn)生足夠的升力。機(jī)智號(hào)團(tuán)隊(duì)在72次飛行中始終將轉(zhuǎn)速控制在2700 rpm以內(nèi)，葉片尖端速度保持在馬赫0.7左右，目的是避開(kāi)音障附近難以預(yù)測(cè)的物理現(xiàn)象。

圖源：NASA

JPL旋翼測(cè)試負(fù)責(zé)人Jaakko Karras幽默地說(shuō)：“如果查克·耶格爾（突破音障的傳奇飛行員）在這里，他會(huì)告訴你馬赫1附近的情況會(huì)變得‘古怪’。我們希望下一代火星飛行器有更強(qiáng)性能，因此必須確認(rèn)旋翼能在更高速下安全運(yùn)行。”

值得注意的是，火星上的音速約為540 mph（約869 km/h），比地球海平面（約760 mph）低得多。

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嚴(yán)苛測(cè)試：在“刀槍不入”的艙室里

測(cè)試團(tuán)隊(duì)將由AeroVironment公司制造的三葉旋翼安裝在JPL著名的25英尺太空模擬艙中。他們抽出艙內(nèi)空氣，充入適量二氧化碳以模擬火星大氣環(huán)境，然后逐步提高旋翼轉(zhuǎn)速，同時(shí)用風(fēng)扇制造迎風(fēng)條件。

為防萬(wàn)一，工程師在艙內(nèi)關(guān)鍵位置鋪設(shè)了金屬板。測(cè)試中，轉(zhuǎn)速最高達(dá)到3750 rpm，葉片尖端速度先達(dá)到馬赫0.98，隨后在迎風(fēng)條件下成功突破馬赫1.08。

這一突破直接將火星飛行器的升力能力提升30%，意味著未來(lái)飛行器可以攜帶更重的科學(xué)載荷、更大的電池，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離和更復(fù)雜的探索任務(wù)。

隨后，團(tuán)隊(duì)又測(cè)試了稍長(zhǎng)的兩葉SkyFall旋翼，僅需3570 rpm即可達(dá)到相似速度。NASA Ames研究中心空氣動(dòng)力學(xué)家Shannah Withrow-Maser興奮地表示：“我們?cè)居X(jué)得能達(dá)到馬赫1.05就很幸運(yùn)了，最后竟然沖到了1.08！數(shù)據(jù)還在深入分析，可能還有更多性能潛力。這些下一代火星直升機(jī)將會(huì)非常驚人。”

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未來(lái)展望：SkyFall即將啟航

SkyFall任務(wù)團(tuán)隊(duì)已將本次測(cè)試成果納入設(shè)計(jì)規(guī)格。該任務(wù)計(jì)劃在2028年12月向火星發(fā)送三架下一代直升機(jī)，延續(xù)機(jī)智號(hào)的傳奇，并開(kāi)啟火星低空探索的新時(shí)代。

從第一次在另一個(gè)星球飛行的壯舉，到如今突破音障的堅(jiān)實(shí)腳步，NASA正在一步步把科幻變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。未來(lái)，人類(lèi)或許能通過(guò)這些靈巧的“空中偵察兵”，更深入地了解火星的地質(zhì)、氣候和潛在生命跡象，為載人登陸鋪路。

火星探索，從未停止。

參考

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