火星气压不足地球1%，毅力号的直升机为何能飞起来？大疆行吗？
美国的毅力号火星车算是目前火星最先进的人造物体了，这辆耗资27亿美元、是同等重量黄金价格40倍的昂贵机器，不仅携带了大量科学载荷，还捎去一架名叫Ingenuity的火星直升机，这将是首次有直升机在这颗红色星球的上空飞翔。它每天可在5米高度自主飞行90秒，不用操控，还能靠太阳能充电，确实挺先进。
毅力号携带的Ingenuity直升机
但火星表面的空气极其稀薄，气压还不到地球表面的1%，相当于地球上的3万到4万米高空。在如此稀薄的大气中，这架直升机还能飞起来，有什么秘诀呢？现在市面上充斥的四旋翼无人机，拿到那边能飞吗？
秘诀一：火星上的重力比地球小
火星其实没有你想象的那么大，它的半径是3397公里，略大于地球的一半，总质量还不到地球的9分之一，换算下来，火星表面的重力大约是地球表面的8分之3，还不到一半。如果160斤的人马君能上火星，会感觉自己只有60斤，算得上身轻如燕了。
火星其实不大，重力不到地球的一半
这对一架直升机来说是最好的消息，直升机完全靠旋翼旋转产生的升力来飞上天空，重力小了，需要的升力也随之变小，实现目标的难度顿时减小了一大半。
秘诀二：质量轻，仅1.8公斤
ingenuity直升机的旋翼直径是1.2米，比常见的四旋翼无人机要大得多，高约0.8米，顶部还带有太阳能电池板。但机体却很小，是个边长仅14厘米的方形设备舱，里面只有导航和动力装置，彩色相机和锂电池。这块锂电池除了供飞行所需之外，还要留出夜间保温用的电。
直升机顶部带有太阳能电池板
通过采用碳纤维旋翼等减重手段，火星直升机的总质量被控制在1.8公斤，非常轻盈。考虑到前面所说的重力差异，它在火星上需要的升力与地球上一架0.68千克的消费机无人机相当。
秘诀三：采用双旋翼，转速快
为了能升空，火星直升机采用了两副旋转方向相反的旋翼，直径1.2米，转速达到了惊人的每分钟2400转，这比一般的直升机要快得多，后者只有三四百转甚至一两百转。旋翼的转速其实受到音速的限制，桨尖的线速度不能超过0.85马赫，否则阻力会急剧增大。大型直升机旋翼很长，桨尖速度很大，再叠加上前飞的速度就会更大，所以转速都比较低。
重型直升机的旋翼转速每分钟只有一二百转
但火星直升机为了在稀薄空气中获得足够的升力，必须转得更快，而稀薄空气的音速又比较低，为了尽可能降低转速，其采用了共轴双旋翼的设计，两副旋翼尺寸相同，反向旋转，正好可以抵消旋转力矩。即使如此，仍然需要每分钟2400转的高转速，好在1.2米的旋翼直径并不太大，桨尖速度控制在约0.7马赫左右。
Ingenuity直升机采用双旋翼
大疆无人机拿到火星能飞吗？
不少网友表示，我国无人机发展正如火如荼，大疆的四旋翼无人机横扫世界，用到火星上行不行？这里得考虑两个因素，一个是无人机本身的能力，人马君查了一下，著名的大疆御系列无人机，最大飞行海拔高度是5000米，想飞到3万米以上是不可能的，所以拿到火星上必然飞不起来。另外大疆无人机虽然也有一定的自动飞行能力，但在很大程度上基于GPS，能否做到在火星上全自主飞行，估计比较够呛。此外还有太阳能发电和夜间保温问题要解决。
大疆无人机
另一个因素是我国还缺乏火星表面的大气数据等信息，目前世界上只有美国一个国家曾经成功登陆过火星，并且不止一次，积累了相当多的数据，火星直升机在研制过程中肯定会参考这些数据。而我国就只能靠天问一号成功着陆后，才能拿到第一手资料。
天问一号着陆后才会拿到第一手数据
不过，在科技领域，我国最大的短板是缺乏原创思想，其实就怕没有追赶目标。而一旦有了目标，要追上它只是时间和意愿问题。比如在地球上，我们的无人机，无论大的还是小的，军用的还是民用的，比起美国都已经不遑多让。相信以我国的科研实力和制造能力，将来再发射火星探测器，要搞一个火星直升机的话，一定也搞得出来，并且一定比美国货便宜！
瞅瞅，火星车毅力号的核电池长啥样？
北京时间 2021年2月19日凌晨4点，NASA 的毅力号火星车（Perseverance）着陆在了红色星球火星表面，并发回首张照片。
和常见的外太空探测器不一样，毅力号没有搭载太阳能电池板，它的所有电力来自一台重达 45kg 的 核电池 。其设计工作寿命长达 14 年，放电功率高达 100 瓦。
如此之大的电池，被安放在了毅力号的尾部，像翘起的大尾巴。
从天空起重器的角度看，长这样：
从毅力号摄像头的角度看，长这样：
组装前，是这样：
在火星严酷的环境下，不用充电，还能连续工作 14 年的核电池到底是什么法宝，How it works？
毅力号上的核电池，专业叫法是“多任务同位素温差电源 MMRTG （Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator） ”。
注意几个关键词：同位素、温差发电。
同位素（Isotope），是指具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素。比如常见的氢元素，如果原子核只有 1 个质子，则称之为氕（pie，四声）；如果多加一个中子，则变成氘（dao，一声）；多加两个中子则变成氚（chuan，一声）。氕氘氚互为同位素。
氢同位素质子数中子数 氕10氘11氚12
有些元素的同位素具有强烈的放射性。比如毅力号核电池使用的钚同位素 钚-238 ，会在衰变过程中放射出氦-4原子核（α粒子），并释放出热量，使钚-238达到五六百摄氏度。
钚-238 衰变放热，自身被烤得发光：
有了 钚-238 衰变放热作为热源，接下来就可以进行温差发电了。温差发电利用了“塞贝克效应 ”，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。简单来说，就是在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流。这种电流称为“热电流 ”。用于温差发电的模组称之为“热电偶 ”。
当然，毅力号上的温差发电装置要复杂得多，如下面的结构图：
位置 ① 是 钚-238 组成的模块化热堆，用于产生热量。
位置 ② 是温差发电热电偶，用于将热量转换成电力。为了提高放电功率和效率，热电偶采用了阵列排列的方式，尽可能地利用热堆的热量。
位置 ③ 是散热器，用于向行星大气散热，以维持热电偶两端的温度差。
毅力号核电池冷知识：
除了核电池，毅力号上还配备了两个可充锂电池，以满足火星车的峰值需求（NASA表示，在火星车进行科学运算期间，电力需求可以达到900瓦，电池将在用电高峰时为火星车供电）毅力号核电池效率达到 6.3%，远低于太阳能帆板，但在核电池领域已经算是效率很高的了一颗核电池造价高达 7000 万美元，比俄罗斯最贵战机米格 35 还要贵中国的火星车天问一号，携带核电池了吗？答案是没有，天问一号仅携带了太阳能电池板。文中参考资料：
http://large.stanford.edu/courses/2017/ph241/park-j1/Nuclear Battery Math | Math Encounters BlogHow Do Nuclear Batteries Workhttps://en.wikipedia.org/wiki/Multi-mission_radioisotope_thermoelectric_generator美毅力号的核电池价比黄金，真的能用万年吗？天问一号小钱办大事_腾讯新闻Mars 2020's MMRTG – NASA’s Mars Exploration ProgramIngenuity Mars Helicopter Deployment Test – NASA’s Mars Exploration Program10 Days of Perseverance – NASA’s Mars Exploration ProgramNASA's Perseverance Rover Sends Sneak Peek of Mars Landing – NASA’s Mars Exploration ProgramPower | Rover – NASA’s Mars Exploration ProgramNASA's Perseverance Rover Will Peer Beneath Mars' SurfaceWhy NASA's Mars rover Perseverance will use nuclear power to keep itself warm | SpaceThe Nuclear Battery Aboard Perseverance, the Next-Gen Mars Rover相关问答
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