NASA用新型火星直升机旋翼突破音障

天文online

09-13 22:28 来自北京

NASA新型旋翼助火星直升机突破音障

图文来源：NASA喷气推进实验室 | 发布时间：2026年4月

工程师亚科卡拉斯在近期于美国国家航空航天局喷气推进实验室的25英尺空间模拟器中对下一代火星直升机旋翼叶片进行超音速测试前对其进行检查。图片来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室加州理工学院

美国国家航空航天局（NASA）的新型火星直升机旋翼通过了超音速测试，升力提升了30％，为在火星上使用更重、性能更强大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，成功让直升机旋翼叶片突破了音速。这些于3月在位于南加州的美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）进行的实验表明，在一个模拟火星条件的舱室内，旋翼叶片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重载荷（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）火星探索项目负责人阿尔陈（AlChen）表示，这可不是个简单的要求。毕竟火星上的一切都极具挑战，而在那里飞行堪称难上加难。这是因为火星的大气层极其稀薄，很难产生升力，同时火星又存在显著的引力。

Ingenuity曾创造历史，它实现了在另一个星球上的首次动力控制飞行。不过，这架直升机是作为技术演示建造的，没有搭载科学仪器。NASA新宣布的SkyFall项目及其他未来火星飞行器正被设计用来运输科学工具和传感器，这些工具和传感器能为未来的机器人和人类探索任务收集宝贵数据。这些飞行器还可以利用低空空中探测来研究地面难以到达的区域。

NASA的机智号火星直升机曾进行一次缓慢的桨叶旋转测试，该旋翼机被NASA毅力号火星车搭载的MastcamZ仪器捕捉到，之后不久便完成了其历史性的首次飞行。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同样适用，但为火星设计直升机需要工程师们在技术上取得更大的突破。火星的大气层密度仅约为地球的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快的速度旋转，但密度更大的大气层提供了更多的空气分子可供推动，从而降低了达到接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的72次飞行中，工程师将直升机的复合蒙皮泡沫旋翼叶片转速控制在每分钟2700转以下，主要有两个原因。一是避免在接近声障时出现不可预测的影响，二是确保阵风（如尘暴引起的阵风）不会使旋翼桨尖达到超音速。

如果查克耶格尔在这里，他会告诉你，在马赫数1附近情况可能会变得不稳定，美国喷气推进实验室（JPL）的转子测试负责人亚科卡拉斯说，考虑到这一点，我们规划了‘机智号’的飞行，让旋翼桨叶尖端在无风时保持马赫数0。7的速度，这样如果我们在飞行中遇到火星逆风，旋翼尖端就不会超音速。但我们希望下一代火星飞行器能有更好的性能。我们需要知道我们的旋翼能否安全地转得更快。

在喷气推进实验室（JPL）25英尺空间模拟器的黑暗舱室内，一名工程师正在检查一个测试台，该测试台用于研究高速状态下下一代火星直升机旋翼叶片的性能。这张照片拍摄于2025年11月。图片来源：美国国家航空航天局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760英里小时（1223公里小时）。在火星上，由于其稀薄、寒冷且富含二氧化碳的大气，声速要低得多，大约为540英里小时（869公里小时）。

美国国家航空航天局火星试验舱内的超音速旋翼测试

为了测试新型旋翼系统，卡拉斯及其团队使用了由加利福尼亚州西米谷的AeroVironment公司制造的三叶旋翼。该旋翼被安装在喷气推进实验室（JPL）具有历史意义的25英尺空间模拟器内，这是一个能够模拟火星大气的舱室。工程师们抽去了舱内的空气，并用与火星上相似气压水平的二氧化碳取而代之。随后，旋翼在转速不断加快的同时，也暴露在逐渐增强的风速中。

在美国国家航空航天局喷气推进实验室最近的测试中，工程师们让旋翼转速突破了音速，从而为火星低空飞行探测开辟了新的可能性。图片来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室加州理工学院

作为安全措施，舱室的部分区域内衬了金属板，以防测试期间叶片碎裂。工程师们在附近的控制室里监控实时数据和图片馈送，此时转子转速攀升至3750转分钟。在这个速度下，叶片尖端的速度达到了0。98马赫。随后工程师们向舱室内引入强逆风，每次测试后都提高风速。

最终，旋翼桨尖速度达到了1。08马赫，使该飞行器的升力性能提高了30％。这一改进可以使未来的火星直升机搭载更大的科学载荷、更先进的传感器和更大的电池，以实现更长时间的飞行。

该团队还测试了一款为天坠（SkyFall）任务概念设计的两叶旋翼。由于叶片比三叶设计略长，在引入逆风因素之前，该旋翼只需达到每分钟3570转，就能实现相近的近超音速叶尖速度。

天坠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、测试团队成员珊娜威思罗马瑟表示：这些旋翼的成功测试是迈向证实飞行器在更苛刻环境中飞行可行性的重要一步，这是下一代飞行器的关键所在。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，我们达到了1。08马赫。我们仍在深入分析数据，可能还存在更大的推力。这些下一代直升机将会非常了不起。

天坠（SkyFall）任务团队已将测试结果纳入其设计要求。受机智号（Ingenuity）启发——机智号仍是唯一在另一个星球上飞行过的飞行器——该任务计划于【未来合适时间】向火星发射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索计划资助，旨在最大限度提升未来在火星飞行的飞行器的性能。