火星直升機(jī)在火星上飛行的想象圖。

　　火星區(qū)域環(huán)境普查航空器。

　　金星大氣機(jī)動平臺。

　　在實驗室中進(jìn)行測試的火星直升機(jī)。

　　李會超

　　新聞背景

　　由美國國家航空航天局設(shè)計制造的一艘名叫“火星2020”的火星車，將在2020年7月啟程奔赴火星，對火星上的環(huán)境與地質(zhì)過程進(jìn)行更深入的探測，探尋火星上現(xiàn)在或曾經(jīng)是否有可能存在生命。

　　“火星2020”還有另一項任務(wù)：它將攜帶一架被稱為“火星偵查直升機(jī)”的航空器，試驗這種航空器在火星上飛行的實際效果，為今后使用航空器在其他行星開展探測進(jìn)行先鋒式的技術(shù)驗證。上個月，這架火星直升機(jī)剛剛在NASA噴氣動力實驗室中完成了在地球上的模擬飛行測試，為前往火星的實戰(zhàn)做好了準(zhǔn)備。

　　航空器探測優(yōu)勢獨特

　　目前，對行星的探測手段主要有環(huán)繞探測、原位探測和巡視探測三種。環(huán)繞探測，主要通過運行在環(huán)繞火星、金星等其他行星的軌道上的航天器，利用遙感探測的手段來完成。遙感探測，通俗講就是利用各種科學(xué)探測儀器在太空中給行星拍“照片”，但這些“照片”不只包含了行星表面的圖像信息，一般還有光譜、高程等更為豐富的信息，能夠反映行星表面的大氣與礦物成分和地形起伏等特征。而原位探測則是利用在行星表面著陸的探測器，對探測器所在位置的巖石、大氣或生物信息開展探測。巡視探測同樣是在行星表面進(jìn)行，但由于是由火星車這類可以移動的巡視器進(jìn)行，因此探測范圍能比原位探測有所擴(kuò)展。

　　對于火星探測來說，環(huán)繞探測可以使我們獲得有關(guān)火星較為全面的信息，而原位和巡視探測則能夠使我們獲得更為精細(xì)的信息，在這幾種探測手段的相互配合下，科學(xué)家們已經(jīng)對火星有了一定的了解。然而，由于實施環(huán)繞探測的探測器距火星表面的距離一般都在幾百公里以上，不容易將火星表面的細(xì)節(jié)觀察得特別清晰。同時，衛(wèi)星對某一地點進(jìn)行一次觀測后，受運行軌道的限制，必須間隔很長時間后才會對該地點進(jìn)行再次觀測，難以對一些變化較快的現(xiàn)象進(jìn)行連續(xù)觀測。而原位探測和巡視探測的精細(xì)程度雖然較高，但原位探測僅能在著陸點展開，火星車等巡視器的行走范圍也相當(dāng)有限。以前不久剛剛結(jié)束工作的“機(jī)遇號”火星車為例，它在14年的工作過程中總共僅移動了45公里，相對于火星兩萬多公里的周長來說顯得微不足道。

　　為了在連續(xù)探測時間、探測范圍和探測精度這三個因素間達(dá)到更好的平衡，科學(xué)家們萌生了使用固定翼飛機(jī)或直升飛機(jī)這些在大氣層中飛行的航空器，對火星開展探測的想法。由于航空器的飛行高度較低，因此只需搭載重量不大的探測載荷就能實現(xiàn)精度較高的遙感探測。同時，航空器在空中的移動速度比巡視器快得多，能在短時間內(nèi)完成對一片區(qū)域的全面探測，并能在短時間內(nèi)重訪有重要現(xiàn)象發(fā)生的區(qū)域，對其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。航空器的探測受地形影響較少，能夠到達(dá)巡視器所無法到達(dá)的區(qū)域，并在那里著陸進(jìn)行原位探測，因此探測任務(wù)的規(guī)劃可以相當(dāng)靈活。最后，航空器還可以充當(dāng)“偵察兵”的角色，對巡視器前方的地形地貌和可能發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行先行探測，為科學(xué)家們決定巡視器下一步朝哪個方向移動提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

　　“火星偵查直升機(jī)”將初試牛刀

　　“火星偵查直升機(jī)”是使用航空器進(jìn)行行星探測的第一次嘗試，由美國國家航空航天局下屬的噴氣動力實驗室研發(fā)設(shè)計。這是一臺重量僅有1.8千克的小型飛行器，頂部旋翼的直徑僅有1.2米，和我們一般概念中在地球上飛行的直升機(jī)相比，它的個頭要小很多。它采用共軸式雙旋翼設(shè)計，兩個旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩可以相互抵消，因此無需像地球上的一些直升機(jī)一樣安裝尾槳。由于火星的內(nèi)稟磁場較弱，不存在規(guī)則的南北向磁場，因此火星直升機(jī)在飛行過程中無法像地球上一樣，使用磁場為自己指示方向。同時，火星附近現(xiàn)在還沒有部署類似于GPS的衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。為了在這種情況下飛行器仍能夠自主導(dǎo)航，噴氣動力實驗室的科學(xué)家們?yōu)樗O(shè)計了利用太陽所在位置和陀螺儀信號進(jìn)行導(dǎo)航的方案。此外，火星直升機(jī)上安裝的一臺高分辨率相機(jī)，也能通過拍攝火星表面影像的方式幫助它選定合適的飛行路線和著陸地點。

　　直升機(jī)能夠升空飛行，靠的是旋翼在旋轉(zhuǎn)過程中與空氣相互作用產(chǎn)生的升力。火星大氣的密度僅相當(dāng)于地球大氣的1%，且主要成分是二氧化碳?；鹦潜砻娴拇髿饷芏燃s等于地球上三萬米高空的大氣密度。因此，在火星飛行的航空器與火星大氣相互作用的情況，與地球上的飛行器將有很大不同。為了更真實地模擬火星環(huán)境，科學(xué)家們?yōu)榛鹦侵鄙龣C(jī)研發(fā)了一個特別的模擬裝置。在進(jìn)行測試時，這個裝置首先抽走內(nèi)部的空氣，使其處于接近真空的狀態(tài)。之后，再注入與火星大氣成分相同的氣體，使裝置內(nèi)部的氣體密度和氣壓與火星表面基本相當(dāng)。同時，火星上的重力加速度僅為3.7m/s2，遠(yuǎn)低于地球的9.8m/s2，因此同樣質(zhì)量的物體在火星上受到的重力將比地球上小很多。為了在地球上模擬火星上所受到的重力，這個裝置還用一個連接到直升機(jī)頂部的機(jī)動吊繩提供拉力，抵消一部分重力作用。

　　按照計劃，火星直升機(jī)的飛行將在“火星2020”探測器在火星著陸之后的第60至第90火星日（1火星日的平均長度約為24小時37分鐘）展開。在第一次的飛行中，它將僅僅爬升到距離地面3米的位置，懸停時間也不過30秒，與萊特兄弟進(jìn)行的人類在地球上的首次航空飛行頗有幾分相似。不過，在之后的30天中，火星直升機(jī)還將進(jìn)行4次飛行，每次飛行的距離和持續(xù)時間會不斷增加，最終實現(xiàn)數(shù)百米距離的飛行和持續(xù)90秒的懸停。為了保證安全，飛行測試將在距離“火星2020”火星車100米的范圍之外進(jìn)行，以防因意外墜落砸傷火星車。而為了保持與火星車之間的通信聯(lián)絡(luò)，火星直升機(jī)也不會到距離火星車1公里外的范圍活動。

　　多種多樣的行星和衛(wèi)星探測航空器

　　如果火星直升機(jī)的飛行測試一切正常，將會對行星探測中航空器的使用產(chǎn)生巨大的推動。目前，除了已經(jīng)完成設(shè)計制造的火星直升機(jī)外，科學(xué)家們還提出了不少使用航空器進(jìn)行行星和衛(wèi)星探測的方案。

　　美國國家航空航天局所屬的蘭利研究中心提出的“區(qū)域環(huán)境普查航空器”，是一種對火星的大氣和磁場開展探測的航空器。和火星直升機(jī)所不同的是，這種航空器是一種固定翼的飛行器，外觀與地球上的固定翼飛機(jī)有些相似。固定翼飛行器需要借助發(fā)動機(jī)輸出的推力增加速度，使飛機(jī)機(jī)翼上產(chǎn)生足夠的升力。這種航空器沒有采用地球上飛機(jī)常用的噴氣式或螺旋槳式發(fā)動機(jī)，而是計劃采用火箭發(fā)動機(jī)，每次飛行可持續(xù)一個小時左右。從地球發(fā)射時，它被折疊在一個有熱防護(hù)罩的外殼中，在到達(dá)火星并進(jìn)入火星大氣層后，它將會在適當(dāng)?shù)母叨葘⒆约簭姆雷o(hù)罩中展開，進(jìn)入飛行狀態(tài)。不過，這個方案目前還只是一種技術(shù)儲備方案。

　　美國約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實驗室提出的“蜻蜓號”方案，則把探測目標(biāo)鎖定在了土星的衛(wèi)星“泰坦”上。已有的探測數(shù)據(jù)表明，“泰坦”含有多種成分復(fù)雜的含碳化合物?！疤┨埂北砻孢€富含水冰，內(nèi)部可能有液態(tài)水構(gòu)成的海洋，是孕育生命誕生的理想場所。對“泰坦”進(jìn)行各類生命跡象的探測，很可能有令人驚奇的發(fā)現(xiàn)?！膀唑烟枴焙突鹦侵鄙龣C(jī)一樣，也是可以垂直起飛、降落的航空探測器，其產(chǎn)生升力的裝置為四組小型共軸雙旋翼，外觀和我們常見的航拍無人機(jī)比較接近。由于能夠垂直起降、飛行，這種探測器可以在不同地貌特征的探測點，進(jìn)行碳水化合物成分的探測工作，幫助科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了解這顆衛(wèi)星上可能存在的生命。這種探測器的飛行高度可達(dá)4千米，飛行速度可達(dá)36千米/小時。目前，“蜻蜓號”處于方案預(yù)先研究的階段，美國國家航空航天局將在今年7月決定是否將其“轉(zhuǎn)正”，成為進(jìn)入實施階段的科學(xué)探測任務(wù)。

　　作為地球的另一個近鄰，金星也是行星探測的熱點目標(biāo)。美國宇航工業(yè)巨頭諾斯羅普·格魯曼公司提出的“金星大氣機(jī)動平臺”方案，為探測金星上的生命跡象提供了新的方式。這是一種充氣式的三角翼飛行器，在進(jìn)行探測工作時，能以110千米/小時的速度飛行。此時，飛行器90%的升力來自于翼面的空氣動力學(xué)效應(yīng)，10%則來自于充氣后產(chǎn)生的浮力。而在夜間，它一般會暫停正常工作，關(guān)閉發(fā)動機(jī)，使自身徐徐下降到距離金星表面50千米的地方。在那里，它所受到的浮力足以支撐它漂浮在天空中，無需翼面提供額外的升力。目前，格魯曼公司正在與俄羅斯航天部門和美國國家航空航天局同時保持接觸，希望能通過這兩個國家的航天項目，將金星大氣機(jī)動平臺的方案變成現(xiàn)實。