人类对火星的探测，此前一直是绕火星运行的卫星+火星表面探测器+漫游车的模式。5月中旬，美国宇航局宣布：在2020年飞往火星的探测器上，将携带一架能够在火星上垂直起降的无人直升机，以便更好地执行火星勘探和科学研究任务。这将是人类第一款能够在火星飞行的直升机。

人类为什么要研制火星直升机？这款火星直升机——火星侦察兵长什么样？在火星大气层内飞行的航空器与在地球大气层内飞行的航空器在设计上有哪些不同？本文为读者解答这些问题。

根据公开的画面，美国宇航局最新提出的火星侦察兵飞行器方案是一种基于共轴双旋翼技术的无人直升机。不过，整架直升机总重在地球上只有1.8千克（如下图）。另外，考虑到火星的特殊环境，火星直升机的设计也和地球上的直升机有所不同。

首先，火星的质量相当于地球的十分之一，火星表面的重力加速度只有地球上的38%。也就是说，在地球上重50千克的物体，在火星上只有19千克。所以，质量为1.8千克的火星直升机在火星表面仅重0.68千克。如此轻的身段，是不是更容易起飞呢？

其实不然。

对于航空飞行器来说，是否容易起飞，不仅要考虑起飞重量，还得考虑升阻特性。而这与飞行器所处环境有直接关系。火星上的大气成分与地球上的大气成分迥异，大气密度只有地球的百分之一，而空气的稀薄程度直接影响到直升机旋翼系统的性能。即空气密度降低，会导致直升机旋翼系统的效能下降。这也是为什么直升机要进行高原测试的原因之一。

另外，海拔越高，空气中的氧气浓度也越低，会对直升机上的发电系统产生影响，导致发电量不足。而这些情景，在火星上都以近乎极端的状况呈现。仅仅从旋翼效率上来说，研制火星直升机的这个想法，也是足够疯狂的。

这样说吧，火星侦察兵哪怕是停在火星表面，其空气动力学环境已经相当于地球高空3.0375万米的情况了！而人类工程师之前能够做到的旋翼系统的有效工作上限是1.2万米。那么，在火星上，如何解决旋翼效率的棘手问题？

工程师们的想法是：尽量提高旋翼的旋转速度同时减轻飞行器的重量。火星侦察兵的旋翼转速达到了3000转/分钟，相当于地球上普通直升机的10倍。

未来在火星上，火星侦察兵将会试着先去连续执行5次试验任务。第一次试验任务是垂直上升到3米的高度，然后以火星车为中心，盘旋飞行26秒到35秒。随后的4次试验任务，火星侦察兵的持续飞行时间会逐渐延长，然后改盘旋飞行为航迹飞行。争取能够实现连续90秒的飞行时间、500米以上的飞行距离。

火星侦察兵能够实现比火星侦察卫星高出1个量级的超高分辨率的拍摄，同时，其一张照片所涉及的范围，是传统火星漫游车要花1个月的时间才能游遍的。而且不用担心被石头绊住或者陷入流沙了。

美国宇航局的2019财年预算提案里面，有关火星探测的专项经费为6.015亿美元。其中，火星2020项目的经费为3.48亿美元。在今年5月中旬的最新决定中，火星侦察兵无人直升机拿到了2230万美元的支持，看来，这个被很多人称作疯狂计划的方案，美国宇航局是准备认真做下去了。