NASA JPL 證實火星旋翼葉片可承受 1.08 馬赫尖端速度

美國國家航空航天局（NASA）噴射推進實驗室（JPL）的工程師已確認，一種先進旋翼葉片設計可在葉片尖端速度超過音速時維持完整，而不會崩解——這項成果消除了未來地球外旋翼飛行器任務的主要結構障礙。JPL 進行的測試顯示，葉片在旋轉負荷下保持完整，這些負荷使葉片尖端速度超過馬赫 1。 在火星大氣密度僅為地球海平面壓力的約 1% 的環境中，要產生足夠升力，需將旋翼轉速提高至遠超地球厚實空氣中任何直升機的水平。

### 葉片尖端速度為何是關鍵限制 旋翼空氣動力學取決於葉片尖端相對於周圍空氣的速度。在類似火星大氣的近真空環境中，要產生足夠升力，工程師必須將轉速提升至葉片尖端進入超音速範圍——在地球海平面通常超過約 340 m/s（1,115 ft/s），但確切閾值視當地條件而定。在此速度下，空氣動力與離心應力疊加。亞音速下可靠運作的複合材料旋翼葉片，在尖端速度突破跨音速邊界時，可能出現分層、顫振或結構失效。

據稱 JPL 測試確認該設計可度過此轉變，而不脫落材料或喪失結構完整性。 NASA 的 Ingenuity 火星直升機於 2021 至 2024 年間飛行，其葉片尖端速度接近 0.7 馬赫——接近但未超過火星條件下的音障。任何後續載重更重或飛越高空的飛行器，可能需超過此極限，使超音速葉片成為必要條件。NASA 測試證實下一代火星旋翼可安全突破音障，而 JPL 結構成果為空氣動力圖像增添互補數據點。

JPL 未公布葉片材料組成細節，但極速運作旋翼葉片通常採用碳纖維強化聚合物層壓板，精準設計層向以同時管理離心拉伸與彎曲負荷。葉片幾何形狀——包括扭轉分佈、弦長漸細及尖端形狀——亦有助控制超音速下衝擊波的形成位置與方式。超音速尖端運作引入額外複雜性：葉片尖端產生的衝擊波與葉片自身尾流互動，產生不穩空氣動力負荷，可能激發結構共振。在反覆循環下而非單次加速存活這些負荷，才是持續超音速運作的技術難點。

據 Ars Technica 報導 JPL 發現，測試結果顯示葉片在超音速下不會崩解——這是二元但具重大意義的成果，掃清基礎資格障礙。 Ingenuity 的運作成功證明火星動力飛行可行，但該機僅重 1.8 kg（4 lbs），僅攜帶相機而無科學酬載。具科學能力的旋翼飛行器需升舉儀器、通訊硬件及潛在樣本容器——這些質量預算需求更多旋翼推力，進而需更高葉片速度。

JPL 確認超音速旋翼葉片在運作負荷下保持完整，將此類飛行器從理論概念推向可測試工程基準。剩餘工作包括在火星模擬大氣條件下驗證該速度的空氣動力效率，以及證明數百次飛行循環的耐久性。無論此葉片設計是否直接應用於未來火星科學直升機或其他任務概念，這些測試提供的結構數據，如今可精準指導旋翼尺寸與材料選擇，此前並無此細節。