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火星大气稀薄,为什么直升机能产生足够的上升力?

NASA机智号火星直升机已经成功在火星表面起飞,在距离地面3米左右的高度徘徊了30秒,然后重新回到地面,这是人类首次在另一颗星球上进行动力飞行,也是人类太空探索的一个里程碑。

虽然很多人类航天器都到达过另一颗星球的空中,但是绝大多数都是从太空降落到地表,或者在星球的卫星轨道上进行轨道飞行,这和直升机在星球环境中维持飞行是两个不同的概念。

机智号火星直升机花费了6年时间建造,看似简单的飞行任务,其实非常复杂!

火星飞行为什么难以实现?

在另一个星球进行直升机飞行,最大的挑战就是让直升机可以在一个与地球截然不同的环境中飞行,直升机的旋翼需要适应大气环境,产生足够上升力,而不同星球也存在不同的引力作用。

火星虽然有大气层,但火星大气只有地球大气密度的1%,在火星上飞行的直升机,相当于地球直升机在30千米的高度上飞行,而目前地球商用飞机的飞行高度都保持在12千米高度以内,直升机飞行的最大高度,也只有13千米左右。

火星大气对于直升机非常不友好,但是接下来我们需要考虑火星的重力问题。

火星虽然是地球的邻居,但和地球有着截然不同的特性,火星的重力只有地球的37%,这意味着直升机只需要产生少量上升力,就可以克服火星重力的影响。

如果火星大气层和地球大气层一模一样,那么直升机的起飞会变得异常简单,可惜的是,虽然火星直升机需要的上升力降低,但是火星稀薄的大气层,让每一份上升力的产生都异常困难。总体来说,尽管火星的重力对直升机有利,但火星缺乏大气密度的问题要更加严重。

为了确保机智号火星直升机可以在火星正常执行任务,研究团队在地球上建造了一个封闭密室,将空气从密室中抽出来,模拟火星的大气环境,从而测试直升机在火星大气条件下能够产生多少上升力。

按照实验环境,如果直升机可以在模拟火星大气的密室中飞行,那么直升机就肯定可以在火星上飞行,因此地球重力要远远大于火星重力,直升机大约需要产生3倍以上的上升力,才能克服地球重力完成飞行。

这个过程异常困难,因为直升机最大的动力来源就是旋翼,想要在火星环境中飞行,旋翼的转速要远远大于普通直升机的转速,这就意味着需要更多的能源,而在太空行动中,最缺少的就是能源。如果未来火星直升机需要携带摄像机或其他科学仪器,那么整体的能耗又会提升,为了解决矛盾,火星直升机必须非常轻巧,而直升机旋翼的功率则需要大幅度提升。

火星直升机研发6年,得到了哪些“升级”?

在火星产生足够的上升力,最直接的方式就是加快直升机的旋翼。

机智号安装了2个旋翼,都由碳纤维制成,轻巧而耐用。在地球上的无人直升机,大约只需要每分钟500转就可以产生足够的上升力,而机智号的旋翼可以到达每分钟2400转以上,甚至超过了载人商业直升机的旋翼转速,然而单纯增加旋翼的转速,并不能彻底解决火星直升机的问题,还需要减轻荷载。

整个机智号火星直升机的重量,大约只有2千克,机智号的设计也非常奇特,其身体只有纸巾盒大小,而旋翼却足足有1.2米长。更大的旋翼、更快的旋翼转速、更轻巧的身体,让机智号可以在火星环境中产生足够的上升力,从空中观看火星。

机智号目前已经完成了3米高度的飞行测试,未来几周时间里,机智号还将继续进行3-4次飞行,其中包含5米高度的飞行测试以及300米长距离飞行测试,机智号将从这些测试中采集必要的数据,为后续的火星直升机提供经验。

目前火星直升机的数据需要先传递给毅力号,再由毅力号传递给卫星,最终才能到达地球,整个过程大约需要数个小时,即使使用最直接的数据传递,也会有20分钟左右的延迟,因此目前人类无法实时操控火星直升机,在飞行过程中,火星直升机拥有非常大的“自主权”。

预计2035年人类会首次登陆火星,研究团队希望火星直升机可以充当“侦查兵”,在火星操控无人直升机,就可以做到实时操控,就像地球无人机一样,帮助宇航员提前观察远处的地面情况,避开障碍物或危险地形,甚至可以寻找水源以及其他生命。

目前地球无人机甚至可以帮忙运送快速,火星研究团队也希望未来的火星直升机可以帮助宇航员运送物品,如果宇航员在基地外丢失了工具,或者需要补给,火星无人直升机或许可以运送食物或工具箱,让火星探测工作可以更加便利!