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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全都要！虎门腊味，你“腊”么有才！
引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？
核废料是人类长期面临的一大难题，它数量庞大，其危险性会持续数万年之久，而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。
首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。
火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。
不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。
乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。
然而事实并非如此。
地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。
当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。
要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。
而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。
那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。
这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。
而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。
每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。
从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。
换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。
这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。
听起来匪夷所思，但事实确实如此。
而事情还可以变得更加违反直觉。
由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。
以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。
这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。
原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。
相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。
正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。
因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。
这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。
不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。
至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。
它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。
借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。
不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。
在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。
听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。
问题的关键在于能量守恒。
当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。
一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。
相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。
行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。
所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。
理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。
