NASA用新型火星直升机旋翼突破音障
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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。
相关知识
火星是太阳系八大行星中离太阳第四近的类地行星，因表面覆盖氧化铁呈现红色，被称为红色星球。
它有稀薄的二氧化碳大气，两极有干冰与水冰组成的冰盖，还拥有太阳系最高的奥林匹斯火山和最大的水手号峡谷。
人类对火星探索活跃，多个探测器已着陆，它是寻找地外生命及未来太空殖民的重要目标。
BY: NASA
FY: AI
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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。
再过四年，近地轨道就剩咱家天宫了？别急着高兴，美俄新玩法更狠
这两天有个新闻挺有意思，俄罗斯和美国商量好了，要从2028年开始，把国际空间站的轨道高度慢慢往下降。整个“下坠”过程大概持续两年，到2030年彻底报废，最后掉进南太平洋那片所谓的“航天器墓地”。
说是一起干，其实分工挺清楚。
俄罗斯出两艘“进步”号货运飞船，美国出一艘专门设计的脱轨飞行器，三艘飞船一起发力，把这座四百多吨的大家伙从四百公里高的地方一点点拽下来。
看到这条消息，我第一反应是，这两个吵了这么多年架的国家，居然还能在太空里搭把手，这事儿本身就挺魔幻的。
国际空间站是1998年开始建的，最初设计寿命只有15年。
结果呢，一延再延，硬撑到了现在，已经是第28个年头了。
说实话，这老伙计早该退休了。
这些年漏气、设备老化、模块故障，隔三差五就出点状况，能撑到今天已经是奇迹了。
所以2028年开始降轨，2030年彻底报废，这个时间表其实不算早，甚至有点晚了。
但我想聊的不是技术，是这背后的人情世故。
你们想过没有，自从2018年以后，美俄航天机构负责人整整八年没面对面交流过。
八年啊，地面上打得再凶，太空里还得靠对方活着，这种关系你说微妙不微妙？ 上个月，NASA局长专门跑了一趟哈萨克斯坦，观摩了俄罗斯飞船的发射。
这场见面，与其说是为了看发射，不如说是为了谈“后事”，国际空间站的后事。
说白了，国际空间站是冷战结束后美俄“和解”的产物，是当年双方在太空里搭的一座桥。
现在这座桥要拆了，桥两头的人怎么拆，拆完之后各走各路还是接着搭新桥，这些事儿比飞船怎么脱轨复杂多了。
俄罗斯那边已经在盘算自己的轨道站了，说是2028年开始在国际空间站基础上搞自己的舱段，2030年脱离出来单飞。
美国那边呢，更倾向于让商业公司来接盘，搞私营空间站。
两边各怀心思，但面子上还得把最后这出戏演完。
还有一个细节值得琢磨。
美国那艘脱轨飞行器，是跟SpaceX签的合同，价值8亿多美元，以“龙”飞船为基础改造，动力是普通版本的四倍。
花这么多钱给一个快报废的东西“送终”，有人说值，毕竟这么大个空间站，失控掉下来砸到哪儿都不是闹着玩的。
也有人说不值，不如省下来搞点新项目。
我觉得吧，这事儿不能光算经济账。
国际空间站这二十多年，养活了成千上万的科研人员，产出了数不清的科研成果。
更重要的是，它证明了人类可以在太空里长期合作，哪怕地面上吵得再凶。
现在要说再见了，体面地送走它，是对这段历史的基本尊重。
当然，也有人会说，国际空间站没了，不就剩咱们的“天宫”独一份了吗？这话听着提气，但我觉得没必要这么比。
太空那么大，容得下多个空间站。
人家拆桥是人家的事，咱们搭好自己的桥就行了。
更何况，美俄表面上是给空间站“送终”，实际上各自都在布局下一代空间站，玩法比现在更狠。
最后说一句，2028年开始降轨，2030年坠毁。
从现在算起，还有不到四年。
这座飞了近三十年的“太空城市”，很快就要在南太平洋的波涛之下，变成一堆永远沉默的碎片。
一个时代，就这么结束了。
