火星探测器|人类首架火星直升机升空！共轴反转双旋翼，这可是苏联的黑科技( 二 ) 火山

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。