北京時(shí)間4月19日18時(shí)52分，美國宇航局 NASA 正式宣布，首個(gè)火星無人機(jī)“機(jī)智號(hào)”成功在火星耶澤羅撞擊坑完成首飛，這是人類首次在地球以外的大氣層內(nèi)完成可控動(dòng)力飛行，標(biāo)志著人類對(duì)火星的探測(cè)正式從“火星車”時(shí)代向“火星飛行器”時(shí)代邁出歷史性的一步，是人類對(duì)宇宙探索方式的新突破。火星無人飛行器為人類打開“空地一體化”的太空探索新維度提供了可能。

與常見的大疆等小型航拍多旋翼飛行器和大型固定翼無人機(jī)不同，“機(jī)智號(hào)”是一架采用共軸反轉(zhuǎn)雙旋翼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)無人直升機(jī)（如下圖所示）。

為什么火星首飛無人機(jī)“機(jī)智號(hào)”選擇直升機(jī)構(gòu)型？

讓我們從“機(jī)智號(hào)”在火星飛行面臨的各項(xiàng)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)來分析：

1.極低的空氣密度和空氣壓力，需要非常高效的飛行器形態(tài)

火星上的空氣密度大約只有地球上的1%，而氣壓更是低至0.1PSI。根據(jù)計(jì)算，在火星表面飛行，相當(dāng)于在地球上空50km-60km的高度飛行，這對(duì)于大氣層內(nèi)依靠空氣產(chǎn)生升力的常規(guī)飛行器而言，絕對(duì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

眾所周知，對(duì)于旋翼飛行器來說，旋翼數(shù)量是決定其整體效率的重要一環(huán)。在同等重量下，旋翼數(shù)量越多，整體效率將會(huì)越低。而目前懸停效率最高的飛行器依然是共軸雙槳，現(xiàn)代旋翼槳葉由于采用變翼型、大負(fù)扭、大尖削等設(shè)計(jì)，懸停效率能達(dá)到0.8以上。

而隨著旋翼數(shù)量的增加，整體效率逐步降低。“機(jī)智號(hào)”攜帶的電池容量有限，數(shù)據(jù)顯示其2/3的電量需要用來為電池組和其他電子元器件做保溫工作，只有1/3的電量能夠用來飛行。

艱巨的任務(wù)決定了其需要在滿足盡可能低的起飛重量下達(dá)到盡可能長的飛行時(shí)間，在火星的環(huán)境下，因?yàn)殡姵爻潆姷炔豢煽匾驍?shù)環(huán)境下，共軸的構(gòu)型是最佳選擇。

2.載重能力與體積大小的平衡，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量的取舍

盡管火星上的重力大約只有地球上的1/3，但是要在0.1PSI的超低氣壓下依靠空氣垂直起飛，仍然比在地球上起飛的難度大了數(shù)十倍。“機(jī)智號(hào)”必須依靠足夠的動(dòng)力和轉(zhuǎn)速才能夠順利起飛，這意味著需要穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)去支持，但又不能因此而增加更多的重量，因此飛行器材料選擇和動(dòng)力形態(tài)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，整臺(tái)機(jī)器必須具有極高的飛行效率和極輕的整體重量。

由于火星上的音速約為240m/s，經(jīng)計(jì)算，在同等體積大小和重量下下若采用單旋翼結(jié)構(gòu)，那么旋翼轉(zhuǎn)速的增加將使得翼尖線速度超過火星表面的音速，使得飛行變?yōu)椴豢赡埽捎?.2m直徑的雙旋翼，在2400rpm時(shí)，翼尖線速度將小于0.7馬赫（火星表面音速），處于安全區(qū)間內(nèi)。

因此上下重疊的共軸雙旋翼方案成為了平衡載重能力和體積大小的唯一選擇。盡管下層旋翼將受到上層下洗氣流的影響而損失部分升力，但經(jīng)過不斷優(yōu)化與設(shè)計(jì)，其整體效率依然高出多旋翼飛行器不少。

3.抗風(fēng)性和防塵性的需求

盡管空氣如此稀薄，但火星并非是一個(gè)安靜的星球，火星上的平均風(fēng)速約為10m/s，極端情況下，火星上甚至?xí)a(chǎn)生28m/s（100km/h）的猛烈風(fēng)暴——這對(duì)于一個(gè)一米級(jí)別尺寸的小飛行器而言很可能是致命的。要想順利起飛，“機(jī)智號(hào)”必須具備一定的機(jī)動(dòng)性和抗風(fēng)性，并且其結(jié)構(gòu)和各種電子元器件必須能夠在大風(fēng)揚(yáng)起的沙塵中得以存活。

直升機(jī)結(jié)構(gòu)具備了高機(jī)動(dòng)性的先天優(yōu)勢(shì)。相較于多旋翼，其重量分布集中，可以以較短的力臂完成姿態(tài)改變，同時(shí)直升機(jī)獨(dú)有的變距結(jié)構(gòu)能夠在旋翼盡可能大、效率盡可能高的同時(shí)保持快速修正能力，使得其在與惡劣環(huán)境抗衡的同時(shí)還能滿足飛行的需求。

“機(jī)智號(hào)”的相關(guān)參數(shù)：

與其他飛行平臺(tái)構(gòu)型對(duì)比

1）多旋翼。同樣起飛重量下，多旋翼的槳葉直徑遠(yuǎn)小于直升機(jī)，因此需要更高的轉(zhuǎn)速來維持飛行，并且還需要預(yù)留足夠的轉(zhuǎn)速上升空間滿足姿態(tài)修正，這對(duì)于即將觸碰到音速邊緣的螺旋槳而言，并不是一個(gè)好的選擇。而多旋翼的結(jié)構(gòu)決定了將存在多個(gè)布置在結(jié)構(gòu)邊緣的電機(jī)，這對(duì)于可靠性和機(jī)動(dòng)性而言都將有所降低，同時(shí)，還要增加不少結(jié)構(gòu)重量。“機(jī)智號(hào)”目前所用的1.2米大槳單只重量僅為35g，而一個(gè)電機(jī)增加的重量遠(yuǎn)大于此。

2）垂直起降固定翼。固定翼的優(yōu)勢(shì)和所取得的成就讓人向往，但是在空氣稀薄的火星表面，為獲得足夠的升力，固定翼無法將速度控制在較低水平。對(duì)于有限通訊距離的火星探測(cè)器而言，固定翼的航程優(yōu)勢(shì)將不存在。而垂直起降固定翼的懸停能力有限，巨大的翼展也決定了其在起降階段無法抗衡火星上的風(fēng)力環(huán)境。

由此可見，在火星這種極其復(fù)雜的環(huán)境下，無人直升機(jī)這一構(gòu)型無疑是最可靠的選擇。

機(jī)智號(hào)”的順利首飛無疑是人類航空史和航天史的重要里程碑，回望地球，在各類危險(xiǎn)復(fù)雜的環(huán)境中擔(dān)當(dāng)重任的，依然是無人直升機(jī)。尤其在高海拔地區(qū)，由于空氣密度降低，高效率且具備足夠載重性能和機(jī)動(dòng)性能的直升機(jī)或?qū)⒊蔀槲ㄒ豢煽康倪x擇。

在國外，無人直升機(jī)其實(shí)已是工業(yè)領(lǐng)域的主流應(yīng)用產(chǎn)品，放眼國內(nèi)，我們同樣擁有完善工業(yè)級(jí)無人直升機(jī)技術(shù)體系的廠家。

據(jù)環(huán)球時(shí)報(bào)報(bào)道稱，中國不僅在固定翼無人機(jī)方面已經(jīng)成為世界上最大的參與者，而且在無人直升機(jī)方面也是如此。現(xiàn)在許多中國公司都在提供各種各樣的無人直升機(jī)選擇，包括中國航空工業(yè)集團(tuán)公司(AVIC)的AR500C，廣東珠海紫燕無人機(jī)公司的可在高海拔邊境地區(qū)作業(yè)的河豚A2，中國075型兩棲艦上可兩棲作戰(zhàn)的不明型號(hào)飛行器，以及同樣由中航工業(yè)生產(chǎn)的可以夜間作業(yè)的AV500。

（環(huán)球時(shí)報(bào)相關(guān)報(bào)道）

其中備受美國國防部關(guān)注的國內(nèi)無人機(jī)廠商——珠海紫燕研發(fā)的無人直升機(jī)，早在2018年7月便成功從4000米海拔高地垂直爬升至7000米高空，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)的無人機(jī)記錄，旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)2321（“機(jī)智號(hào)”轉(zhuǎn)速2400rpm）。據(jù)相關(guān)人士透露，珠海紫燕明星產(chǎn)品河豚A2無人直升機(jī)在2021年進(jìn)一步完成了高原載重測(cè)試。

（飛行過程地面站截圖，當(dāng)前海拔高度6993米）

（7000米高度下的吊艙視角，遠(yuǎn)處云霧中為昆侖山東段最高峰-玉珠峰）

“機(jī)智號(hào)”在火星上的49秒的飛行，開啟了人類用直升機(jī)在火星探索的新征程，刷新了無人直升機(jī)的飛行極限，驗(yàn)證了直升機(jī)構(gòu)型在復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)能力。相信不久的將來，無人直升機(jī)將會(huì)成為工業(yè)級(jí)飛行器的主流形態(tài)。