7月30日，美国宇航局第5辆火星车毅力号即将升空，这次搭载的载荷与2011年发射的好奇号相似，就是一辆火星车，质量为1吨左右，采用钚-238放射性核材料作为动力来源，可持续运行数十年之久。毅力号火星车这次降落的方式与好奇号也是一样的，使用自带8台反推发动机的火星着落装置，通过缆绳将毅力号放在火星表面。这套流程在好奇号上已经实现，从难度上说不算冒险，毅力的降落地点是杰泽罗撞击坑，直径大约45公里，这里在数十亿年前曾经是三角洲，拥有河流冲刷过的地貌，与地球上的三角洲非常相似。
毅力号与好奇号火星车基本相当，仪器上有新增，以寻找火星生命为主，还带了采集样本收集装置，以供未来火星任务时索取后返回地球。笔者认为，毅力号最大的亮点应该是携带了一架直升机，今天我们就来说说这架直升机。
图注：杰泽罗撞击坑，直径大约45公里，这里有三角洲地貌，存在微生物遗迹的可能性也越大
图注：杰泽罗撞击坑周围悬崖示意图，毅力号降落的难度还是有点大，如果降落到悬崖上，那基本就报销了
图注：毅力号火星车全貌
首架可在火星表面起飞的航空器
这架直升机命名为Ingenuity，中文名为“创造力”，寓意是在火星表面首创使用航空器，也是人类首次在地球之外使用航空器。这架直升机的尺寸很小，螺旋桨直径为1.2米，机高0.8米，旋翼直径超出机身仪器舱长度。整体结构为一副共轴反转的螺旋桨、4个支架式起落支撑装置、14厘米边长的仪器舱，顶部有一个太阳能电池板，可提供350瓦功率。总质量为1.8公斤，共轴螺旋桨转速为每分钟2400转，桨尖速度小于0.7马赫，最大飞行距离为300米，无线电控制范围为1公里，最大飞行高度仅为5米，最大水平飞行速度为每秒10米，垂直速度为每秒3米。从这个数据看，这俨然像是一架无人机的标准。但是，正是因为这架直升机要求火星表面上飞行，我们所看到的这些数据仅仅是表象，如果我们看看火星表面的环境就知道，Ingenuity直升机飞行环境其实是相当恶劣的。
图注：火星直升机起飞的想象图，这架直升机的尺寸很小，螺旋桨直径为1.2米，机高0.8米，旋翼直径超出机身仪器舱长度。
火星表面的温度区间为零下90摄氏度，有些地区还会更冷，大气压力仅为地球的1%，这对于航空器而言是个灾难。飞机起飞的原理是依靠机翼上下表面的压力差获得升力，火星大气密度极低，说明其飞行环境非常恶劣。同时，火星的引力只有地球的三分之一，这对降落、悬停提出了更高的要求。综合评判，Ingenuity直升机在火星表面的飞行环境相当于3万米高度的大气，这是目前地球上直升机飞行高度的2倍以上。我们以黑鹰直升机为例，升限为5700米，科比所乘坐的西科斯基S-76直升机升限为4500米，Ingenuity直升机理论上能够在3万米高度进行飞行。
每次起飞到着落，持续时间仅为90秒，这是因为Ingenuity直升机的总功率只有350瓦，全靠太阳能电池提供电量，电池板安装在直升机最顶端。设备舱内只有导航装置、高分辨率彩色成像仪，没有其他科学仪器，锂离子电池可为直升机蓄电，在火星的夜晚为成像仪提供热量。
图注：火星Ingenuity直升机折叠起来的样子，收纳在火星车底部
图注：正在制造中的Ingenuity直升机，可以看出其大小相当于一辆小孩的自行车
每分钟2800转的旋翼速度也比地球上直升机旋翼速度快10倍，一般情况下，10吨级这样的常规直升机旋翼每分钟的转速为300至400转，无人直升机可达到上千转不等，这是因为重量更大的直升机受到桨尖线速度的限制，线速度要控制在每秒180至220米之间，低于0.6倍音速。如果桨尖速度太大，那么会导致失速，并非旋翼转得越快，速度或者升力也越大。Ingenuity直升机之所以能够达到每分钟2400转，除了使用碳纤维材料外，火星上的大气稀薄是最大的因素，稀薄的大气需要更快的转速才能获得升力。
图注：Ingenuity直升机放置在火星车底部
共轴反转技术
共轴反转技术是直升机旋翼结构的一种，最早可追溯到我国古代民间玩具竹蜻蜓。我们知道竹蜻蜓的结构为旋翼、中轴杆两个，玩的时候要用力搓动杆，旋翼就可以旋转了，旋翼产生了升力，就飞了起来。中国的竹蜻蜓出现的时间可追溯到1800年前，比欧洲要早得多。共轴反转技术就在竹蜻蜓上又增加了一副旋翼，形成双旋翼，但技术原理与竹蜻蜓是一致的。一直到1754年，俄罗斯科学家罗蒙诺索夫设计出世界上第一种共轴双旋翼飞行器，实现了该设计的机械化进程。到了1861年，法国、英国开始利用小型蒸汽机为动力，研发出由三个齿轮转动的共轴双旋翼直升机。
图注：共轴反转技术属于旋翼技术的一种，后者源于我国1800多年前出现的竹蜻蜓
英国在1909年就研发使用共轴反转的涡轮螺旋桨发动机，安装在著名的喷火战斗机上。在冷战时期，苏俄获得了强劲的发展速度。1950年代，苏俄也开发了NK12涡轮螺旋桨发动机，采用了共轴反转技术。目前这款发动机仍然是世界上推力最大的涡轮螺旋桨发动机，保持世界第一的位置半个世纪之久，可见苏俄在这方面的技术已经达到了黑科技的程度。直升机方面，卡莫夫设计局在1947年开始研制共轴反转螺旋桨技术，目前成熟的型号诸如Ka-27、Ka-52、Ka-50、Ka-137等，都是共轴反转的经典产品。从1945年开始，苏联奠定了共轴式直升机领域不可撼动的地位。
图注：共轴反转示意图，上下旋翼的旋转方向是不一致的，这样可以抵消力矩
图注：从侧面看共轴反转旋翼，上下旋翼通过铰链整合在一起
为了简化直升机的结构，美国宇航局在第一种火星直升机上采用了共轴反转设计，我们看到Ingenuity直升机上有上下两副旋翼，共用一个旋转轴。上下旋翼的旋转方向是相反的，这样可以抵消力矩，让直升机获得平衡。传统的直升机气动结构是单旋翼加一个尾桨，用尾桨产生的侧向推力平衡主旋翼产生的扭矩。这种气动有个弊端，在主旋翼与尾桨之间有一个传动轴，这就增加了系统的复杂性和质量。采用共轴反转设计，大大降低了Ingenuity直升机自身的质量。
图注：卡莫夫设计局使用的共轴反转旋翼，铰链结构比较简单，减轻了结构重量
图注：卡莫夫设计局的KA52直升机，尾桨被取消，悬停稳定性更好，但是大型载人的共轴双旋翼技术无法直接应用到微小型直升机上
共轴反转的优点
共轴反转技术用在直升机上的优点在于结构紧凑、抗侧风能力强、转动惯量小、悬停效率高等。如果采用同样重量的机身，使用共轴反转技术的直升机旋翼半径仅为单旋翼直升机的70%，整体占地面积仅为单旋翼直升机的60%。由于没有尾桨和传动系统造成的功率损失，升力可比单旋翼直升机增加12%。
图注：微小型直升机在低雷诺数的情况下，微小型直升机的流场与大型载人共轴直升机不同，空气动力学特性也完全不同
图注：只有手掌大的微小型直升机
从优点上说，Ingenuity直升机使用共轴反转双桨可提升飞行的稳定性，重心就位于传动轴上，消除了尾桨之后，Ingenuity直升机就少了一个故障隐患：尾梁可发生形变引发传动机构故障，导致直升机坠毁。根据卡莫夫设计局的经验，采用共轴反转的卡-27直升机在超低空悬停吊放声呐时飞行员可以单手控制，而单旋翼直升机的飞行员就无法实现单手操作，另一只手要控制尾桨。基于这些优势，未来的火星直升机也会沿用共轴反转双旋翼布局，但是有一点需要注意：可载人的共轴反转双旋翼技术要应用到微型直升机领域，还有更大的难度，从专业角度看，可在火星上飞行的Ingenuity直升机应该定位为微小型共轴反转双旋翼直升机。
图注：Ingenuity直升机的共轴技术使用了齿轮组，结构精巧，加工难度较大
图注：Ingenuity直升机内部结构，载荷舱内是小型相机
共轴反转的难点
共轴技术微型化会遇到各种各样的问题，比如轻量化设计，需要足够轻的材料。Ingenuity直升机使用了碳纤维复合材料，也只有这样才能用最小的功率拉起直升机。Ingenuity直升机的动力为电机驱动，载荷舱内部还有一个蓄电池组，使用太阳能电池板供电，从技术角度看，Ingenuity直升机能够起飞还需要高效的新能源驱动技术。最复杂的要数流场上的模型建立，大型载人的共轴双旋翼直升机无法直接用于微小型共轴直升机，在低雷诺数的情况下，微小型直升机的流场与大型载人共轴直升机不同，空气动力学特性也完全不同，需要重新设计和优化。
图注：毅力号火星车与Ingenuity直升机
图注：Ingenuity直升机起飞时的想象图
Ingenuity直升机旋翼的挥舞频次与直升机的操纵性和稳定性关系较大，在火星表面大气密度仅为地球1%的情况下，要起飞这架直升机的难度就不言而喻了，大致可相当于在地球上3万米高度的工作环境。如果一阵风吹来，Ingenuity直升机要保持足够的稳定性，否则就会被大风吹得偏离航线，导致任务失败。美国宇航局在Ingenuity直升机上采用共轴反转技术，也说明其认可了这项技术。为了安全起见，当Ingenuity直升机起飞时，毅力号火星车需要撤退到90米之外，这是因为如果直升机起飞失败，旋翼可能打到火星车上的设备，造成严重的后果。