為了配合“火星2020”探索任務，美國航天局的噴氣推進實驗室打造了一架無人直升機，它隻有1.8公斤重，卻總共花掉了8500萬美元（5.5億人民币），相當于每克重量耗資47222美元！考慮到國際金價是61.66美元/克，這架名叫“機智号”的小飛機每克價格達到黃金的766倍，說它是“史上最貴”應該不會有人反對吧。

“機智号”火星直升機

如此昂貴的小飛機，它肩負着什麼樣的科學使命呢？NASA對它的期待很簡單，三個字：飛起來。

任務是如此地簡單，“機智号”上沒有攜帶任何的科學設備，隻裝了兩個攝像頭和一個低帶寬的無線傳輸設備，負責在1公裡以内把飛行過程的照片傳給火星車。當然了，由于火星距離地球太遠，電磁波一來一回至少需要十幾分鐘，從地面遙控無人機飛行不太現實，因此“機智号”會按照地面設定的程序，再根據傳感器的數據“自主”飛行。

飛行模拟動畫

有朋友說，NASA傻呀！不就是飛起來麼，用大疆分分鐘搞定，1萬塊錢不到的事。你别說，用大疆還真未必行，因為火星跟地球的環境完全不一樣。

火星半徑大約是地球的一半，平均密度也小于地球，所以火星表面的重力很低，一個體重100斤的漂亮姑娘要是去到火星稱重，她大約隻有38斤。也就是說，地面上1.8公斤的“機智号”，在火星表面隻需要0.68公斤的推力（差不多是電風扇三檔風）就能飛起來。是不是很容易？

在火星啟動測試成功

但是且慢！你可能不知道火星大氣極度稀薄，表面大氣壓力隻有地球海平面的0.6%，電風扇開三檔好比你打了個哈欠。火星空氣差不多相當于地球34公裡高度的空氣密度，在地球上隻有一架飛機能飛到這麼高，1977年前蘇聯的米格-25曾短暫地沖上37650米高度，排名第二的美國“黑鳥”升限是26600米。34公裡已經接近真空了，直升飛機那是想都别想。

米格-25與“黑鳥”

這麼看起來，“機智号”想在火星上飛起來還真是不容易。

别看火星直升機身闆兒小，總重量隻有1.8公斤，但噴氣推進實驗室卻給它配了兩對“巨大”的碳纖維螺旋槳，旋轉起來直徑達到1.2米；為了能飛起來，螺旋槳的轉速要達到2400轉/分鐘，翼梢速度接近0.7馬赫。你可能會說，2400轉不快呀，但相對于這麼大的螺旋槳和如此輕的重量，要做到精準可控，還是有點難的。

機智号

“機智号”采用了共軸雙槳的推進方式，也就是說它的兩副螺旋槳是上下重疊，下邊的螺旋槳順時針旋轉，上邊的逆時針轉動，跟我們平常見到的大多數直升飛機不同。這又是為什麼呢？

我們常見的直升飛機大多頂着個主旋翼，在尾巴上還豎着裝一個尾槳。主旋翼在旋轉的時候會推動空氣，空氣的反作用力在旋翼上産生一個反向扭矩，旋翼逆時針旋轉時，機身就會順時針轉動，這是很危險的，會造成飛機失控。我們在直升機的尾巴上也安裝一個螺旋槳，讓它向左吹風，通過推力來補償機身的扭矩，就能達到控制方向的效果。

直升機力學簡圖

大多數直升飛機都采用這種方式，是因為它結構很簡單，不需要太過複雜的機械構件，可靠性也更高。但它的機械效率比較低，因為大量的能量被用來抵消扭力而不是用來産生升力。

1754年，俄羅斯科學家發明了同軸雙槳直升機（沒想到吧），他将一對反向旋轉的螺旋槳裝在同一個軸上，當兩個螺旋槳的轉速相同時，它們産生的扭矩會相互抵消，因此機身可以保持方向，不需要尾槳來糾偏。

共軸雙槳直升機不需要尾槳糾偏

同軸雙槳直升機的好處顯而易見，它顯著提升了螺旋槳的升力，輸出功率穩定、飛行過程中葉片振動小、同時降低了後退葉片失速現象。它的不足之處就是旋轉部件的結構複雜，并且由于葉片間氣流擾動的關系，兩對槳葉相加的推力隻比一對槳葉多15%，不是我們想象的1 1=2的關系。

機智号啟動模拟動畫

“機智号”配備了一組2Ah的索尼锂電池，隻能供小飛機飛最多90秒和大約50米距離，完了它必須停下來利用太陽能充電。火星表面光照弱，充電時間可能會很長。

NASA在太空探索上面花錢向來都是不眨眼，一輛“毅力号”火星車耗資27.25億美元，花8500萬做一架小飛機——盡管它的任務隻是飛起來拍個短視頻，那也在情理之中，畢竟這是在火星上的第一次空氣動力飛行。

可能下次咱們天問二号訪問火星也會帶架飛機上去，當然，價錢肯定不會這麼貴，像“機智号”這樣的，85萬一架恐怕都有人罵“敗家”吧？

誰知道呢！

#科學燃計劃##人類首架火星無人機首飛有多難#

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