47222美元1克的机智号直升机，起飞等于成功，在火星飞行有多难？

史上最贵的小飞机

为了配合“火星2020”探索任务，美国航天局的喷气推进实验室打造了一架无人直升机，它只有1.8公斤重，却总共花掉了8500万美元，相当于每克重量耗资47222美元！考虑到国际金价是61.66美元/克，这架名叫“机智号”的小飞机每克价格达到黄金的766倍，说它是“史上最贵”应该不会有人反对吧。

火星直升机机智号

如此昂贵的小飞机，它肩负着什么样的科学使命呢？NASA对它的期待很简单，三个字：飞起来。

任务是如此地简单，“机智号”上没有携带任何的科学设备，只装了两个摄像头和一个低带宽的无线传输设备，负责在1公里以内把飞行过程的照片传给火星车。当然了，由于火星距离地球太远，电磁波一来一回至少需要十几分钟，从地面遥控无人机飞行不太现实，因此“机智号”会按照地面设定的程序，再根据传感器的数据“自主”飞行。

飞行模拟动画

有朋友说，NASA傻呀！不就是飞起来么，用大疆分分钟搞定，1万块钱不到的事。你别说，用大疆还真未必行，因为火星跟地球的环境完全不一样。

在火星想飞起来有难度

火星半径大约是地球的一半，平均密度也小于地球，所以火星表面的重力很低，一个体重100斤的漂亮姑娘要是去到火星称重，她大约只有38斤。也就是说，地面上1.8公斤的“机智号”，在火星表面只需要0.68公斤的推力（差不多是电风扇三档风）就能飞起来。是不是很容易？

在火星启动测试成功

但是且慢！你可能不知道火星大气极度稀薄，表面大气压力只有地球海平面的0.6%，电风扇开三档好比你打了个哈欠。火星空气差不多相当于地球34公里高度的空气密度，在地球上只有一架飞机能飞到这么高，1977年前苏联的米格-25曾短暂地冲上37650米高度，排名第二的美国“黑鸟”升限是26600米。34公里已经接近真空了，直升飞机那是想都别想。

米格-25与“黑鸟”

这么看起来，“机智号”想在火星上飞起来还真是不容易。

别看火星直升机身板儿小，总重量只有1.8公斤，但喷气推进实验室却给它配了两对“巨大”的碳纤维螺旋桨，旋转起来直径达到1.2米；为了能飞起来，螺旋桨的转速要达到2400转/分钟，翼梢速度接近0.7马赫。你可能会说，2400转不快呀，但相对于这么大的螺旋桨和如此轻的重量，要做到精准可控，还是有点难的。

机智号

“机智号”采用了共轴双桨的推进方式，也就是说它的两副螺旋桨是上下重叠，下边的螺旋桨顺时针旋转，上边的逆时针转动，跟我们平常见到的大多数直升飞机不同。这又是为什么呢？

说到底，NASA还是希望它能获得更大升力。

我们常见的直升飞机大多顶着个主旋翼，在尾巴上还竖着装一个尾桨。主旋翼在旋转的时候会推动空气，空气的反作用力在旋翼上产生一个反向扭矩，旋翼逆时针旋转时，机身就会顺时针转动，这是很危险的，会造成飞机失控。我们在直升机的尾巴上也安装一个螺旋桨，让它向左吹风，通过推力来补偿机身的扭矩，就能达到控制方向的效果。

直升机力学简图

大多数直升飞机都采用这种方式，是因为它结构很简单，不需要太过复杂的机械构件，可靠性也更高。但它的机械效率比较低，因为大量的能量被用来抵消扭力而不是用来产生升力。

1754年，俄罗斯科学家发明了同轴双桨直升机，它将一对反向旋转的螺旋桨装在同一个轴上，当两个螺旋桨的转速相同时，它们产生的扭矩会相互抵消，因此机身可以保持方向，不需要尾桨来纠偏。

共轴双桨直升机不需要尾桨纠偏

同轴双桨直升机的好处显而易见，它显著提升了螺旋桨的升力，输出功率稳定、飞行过程中叶片振动小、同时降低了后退叶片失速现象。它的不足之处就是旋转部件的结构复杂，并且由于叶片间气流扰动的关系，两对桨叶相加的推力只比一对桨叶多15%，不是我们想象的1+1=2的关系。

机智号启动模拟动画

“机智号”配备了一组2Ah的索尼锂电池，只能供小飞机飞最多90秒和大约50米距离，完了它必须停下来利用太阳能充电。火星表面光照弱，充电时间可能会很长。

NASA在太空探索上面花钱向来都是不眨眼，一辆“毅力号”火星车耗资27.25亿美元，花8500万做一架小飞机——尽管它的任务只是飞起来拍个短视频，那也在情理之中，毕竟这是在火星上的第一次飞行。

可能下次咱们天问二号访问火星也会带架飞机上去，当然，价钱肯定不会这么贵，像“机智号”这样的，85万美元一架恐怕都有人骂“败家”吧！

谁知道呢？