NASA新火星直升机旋翼突破音障
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工程师亚科卡拉斯在NASA喷气推进实验室的25英尺空间模拟器中对下一代火星直升机旋翼桨叶进行超音速测试前对其进行检查。
图片来源：NASAJPL加州理工学院
NASA的新型火星直升机旋翼通过了超音速测试，升力提升30%，为火星上更重、性能更强的空中探测器铺平了道路。
美国国家航空航天局（NASA）的工程师在旨在支持未来火星任务的测试中，成功使直升机旋翼叶片的转速超过了音速。
这些于3月在位于南加州的NASA喷气推进实验室（JPL）进行的实验表明，在一个模拟火星环境的舱室内，旋翼叶片的尖端能够安全地超过马赫1。
在137次测试运行中收集到的信息将有助于工程师研发能够搭载更大型有效载荷（包括科学仪器）的飞行器。
美国国家航空航天局（NASA）在机智号火星直升机项目上取得了巨大成功，但我们希望这些下一代飞行器能在这颗红色星球上发挥更大作用。
喷气推进实验室（JPL）的火星探索项目负责人阿尔陈（AlChen）表示。
这并非易事。
虽然在火星上开展任何工作都极具挑战，但飞行可能是其中最具难度的任务。
原因在于火星的大气层极其稀薄，难以产生足够的升力，同时火星还具有相当大的引力。
机智号创造了历史，在（日期可不提及具体准确时间）首次实现了在另一个世界的有动力、可操控飞行。
不过，这架直升机是作为技术演示建造的，未搭载任何科学仪器。
美国国家航空航天局（NASA）新公布的天坠（SkyFall）项目以及其他未来的火星飞行器，正被设计用于搭载科学工具和传感器，这些工具和传感器能够为未来的机器人和人类探索任务收集有价值的数据。
这些飞行器还可以利用低空飞行探测，研究从地面难以抵达的区域。
NASA的机智号火星直升机在任务的某个火星日（sol）进行了一次慢速叶片旋转测试。
这架旋翼机由NASA毅力号火星车搭载的MastcamZ仪器拍摄，在不到两个地球周后完成了历史性的首次飞行。
图片来源：NASAJPLCaltechASUMSSS
对于旋翼飞行器而言，更大的推力通常来自更快的旋转速度或更大的旋翼直径。
虽然这一原理在地球上也适用，但设计火星直升机需要工程师们进一步推动技术发展。
火星的大气密度仅约为地球的1%，这意味着旋翼叶片必须接近音速才能产生足够的升力。
在地球上，小型旋翼系统可以以极高速度旋转，但更稠密的大气提供了更多可推动的空气分子，从而减少了达到近超音速状态的需求。
为什么在火星上飞行如此困难
在机智号火星直升机在火星的多次飞行中，工程师们将直升机复合蒙皮泡沫旋翼桨叶的转速控制在2700转分以下，主要有两个原因。
他们希望避免音障附近出现的不可预测效应，并确保突发阵风（例如尘暴引起的阵风）不会将旋翼尖端推向超音速。
如果查克耶格尔在这里，他会告诉你在马赫1附近情况会变得不稳定，喷气推进实验室（JPL）的旋翼测试负责人亚科卡拉斯说。
考虑到这一点，我们规划‘机智号’的飞行时，要在无风情况下让旋翼桨叶尖端保持在马赫0.7，这样如果飞行中遇到火星逆风，桨叶尖端就不会超音速。
但我们希望下一代火星飞行器有更好的性能。
我们需要知道我们的旋翼能安全地飞得更快。
在喷气推进实验室（JPL）25英尺太空模拟器的黑暗舱室里，一名工程师正在检查一个用于研究下一代火星直升机旋翼叶片高速性能的试验台。
这张照片拍摄于（合理可替换为类似近期等不过时的表述）。
图片来源：美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室加州理工学院
在地球海平面上，1马赫约为每小时760英里（每小时1223公里）。
在火星上，由于这颗行星稀薄、寒冷且富含二氧化碳的大气层，音速要低得多，大约为每小时540英里（每小时869公里）。
美国国家航空航天局火星试验舱内的超音速旋翼测试
为了测试新的旋翼系统，卡拉斯及其团队使用了由加利福尼亚州西米谷的航空环境公司制造的三叶片旋翼。
该旋翼被安装在喷气推进实验室（JPL）具有历史意义的25英尺太空模拟器内，这是一个能够重现火星大气层的舱室。
工程师们抽走了舱室内的空气，并用压力与火星上相似的二氧化碳取而代之。
随后，旋翼在转速越来越快的同时，被暴露于不断增加的风速中。
在NASA喷气推进实验室的测试中，工程师们通过将旋翼推进到超音速，为火星低空空中探索开辟了新的可能性。
图片来源：NASAJPL加州理工学院
作为一项安全措施，试验舱的部分区域铺设了金属板，以防叶片在测试过程中破碎。
工程师们在附近的控制室里，随着转子转速攀升至每分钟3750转，实时监控着数据和图片画面。
此时，叶片尖端的运行速度达到了0.98马赫。
随后，工程师们向试验舱内引入强逆风，并在每次测试运行后提高风速。
最终，旋翼桨尖速度达到了1.08马赫，使该飞行器的升力提升了30%。
这一改进可能让未来的火星直升机携带更大的科学有效载荷、更先进的传感器以及更大的电池，从而实现更长时间的飞行。
该团队还测试了为SkyFall任务概念设计的双叶片旋翼。
由于叶片比三叶片设计略长，在引入逆风前，该旋翼只需达到3570转分钟即可实现类似的近超音速叶尖速度。
天落直升机可搭载更重的科学有效载荷
美国国家航空航天局（NASA）位于硅谷的艾姆斯研究中心的空气动力学家、测试团队成员沙娜威瑟罗马瑟说：这些旋翼的成功测试，是证明在更严苛环境下飞行可行性的重要一步，而这对下一代飞行器至关重要。
我们原本觉得能达到1.05马赫就很幸运了，但在最后几次测试中达到了1.08马赫。
我们仍在深入分析数据，可能还有更大的推力潜力。
这些下一代直升机将会非常出色。
SkyFall任务团队已将测试结果纳入其设计要求。
受Ingenuity（至今仍是唯一在另一颗行星上飞行的飞行器）的启发，该任务计划向火星运送三架下一代火星直升机。
超音速旋转测试活动由该机构的火星探测计划资助，旨在最大限度提升未来在这颗红色星球飞行的飞行器的性能。
相关知识
火星是太阳系中离太阳第四近的行星，属于类地行星，因表面富含氧化铁呈现橘红色。
它有稀薄的二氧化碳为主的大气，两极存在冰盖，也有四季变化。
过去可能存在液态水，如今是人类探索地外生命与未来太空移民的重要目标，多个探测器已成功登陆开展科学研究。
BY: NASA
FY: AI
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