研究發現火星上的直升機面臨極端的大氣挑戰

NASA 計劃在 2028 年底前將第一架直升機發射到火星表面，但這顆紅色星球稀薄的大氣層給飛機帶來了嚴重的物理限制。 《自然》雜誌上發表的一項新研究揭示了直升機在大氣密度大幅降低的環境中將面臨的挑戰。

Skyfall 任務將在 Space Reactor-1 Freedom 上搭載三架小型直升機，探索火星表面可能的人類著陸點。該計畫代表了行星探索的一個里程碑，但這些機器的可行性取決於了解推進力在與地球截然不同的大氣條件下如何運作。

直升機推進裝置的工作原理

直升機從根本上來說依賴環境來移動。旋轉的葉片將周圍的空氣推向相反的方向，產生升力和推進力。葉片周圍空氣的典型速度達到每秒數百公尺。

線性動量守恆設定了一個關鍵限制：直升機要以每秒 100 公尺的速度前進，它必須推動與其自身質量相當的空氣質量。由於海平面的空氣密度比直升機的平均密度低數百倍，因此飛機需要處理的空氣量至少比自身體積大一百倍。

該原理定義了飛機是否可以在任何大氣層中飛行。更稠密的大氣使推進更容易，因為它們為葉片每次旋轉提供了更多的質量。稀薄的大氣需要增加氣體量才能產生同等的推力。

火星的具體挑戰

火星大氣層由 95% 的二氧化碳組成，其質量密度僅相當於地球海平面大氣層的 1.6%。火星上的直升機需要處理大約是地球上 60 倍的環境氣體才能獲得相當的推力。

如果鳥類是透過呼吸火星大氣中的二氧化碳進化而來的，它們需要比陸地鳥類大約 8 倍的翅膀才能以相同的速度飛行。較低的馬西納重力（相當於地球重力的 38%）將提供一些空氣動力學優勢，促進升力。

儘管存在這些障礙，美國太空總署仍然開發了專門針對火星行動的技術。 Ingenuity 直升機於 2021 年至 2024 年在火星上進行了測試，證明即使在如此惡劣的大氣條件下也可以飛行。未來的「天幕殺機」直升機將根據這些測試進行改進。

火星以外更極端的大氣

柯伊伯帶是大氣層極為稀薄的天體的所在地。發現的天體 2002 XV93 直徑約 500 公里，其大氣層密度比地球大氣層低 1,000 萬倍。這種微妙的大氣層很可能源自於火山爆發或彗星撞擊。

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在如此稀薄的大氣中，直升機實際上不可能處理足夠的空氣品質來進行推進。由於氣體量不足，使用傳統技術進行任何飛行嘗試都是不切實際的。

隨著大氣密度的降低，葉片的尺寸需要相應增加。在關鍵時刻，建築物在運作期間將變得無法建造和維護。

星際邊界

星際空間對直升機來說是一個真正充滿敵意的環境。星際氣體的平均密度比地球大氣層低10^21倍。直升機需要穿越整個銀河系，才能找到足夠質量的氣體以每秒 100 公尺的速度推動其機身。

這樣的旅程將花費比當前宇宙年齡還要長的時間。星際直升機更不切實際，因為星際介質的密度比星際介質低一百萬倍。平均而言，宇宙每立方公尺包含一個質子。

火箭是一個可行的替代方案

直升機依靠周圍環境提供推進力，而火箭的工作原理則不同。它們透過排氣管噴射燃燒的燃料，並且不依賴大氣來移動。這種稀薄的星際空間具有一個優勢，即火箭不會因與介質的摩擦而明顯減慢速度。

星際火箭可以在沒有相關大氣阻力的情況下到達宇宙中的任何目的地。毫米厚的薄膜就像太陽帆一樣，可以穿越整個銀河系，而在旅途中不會遇到實質的阻力。

因此，美國太空總署的火星直升機代表了一個特例：它們可以在火星上運行，因為行星保留了足夠的大氣層。除了火星之外，大多數宇宙環境都無法實現葉片旋轉推進。深空探索的技術選擇仍然與火箭和帆堅定一致，而不是直升機。