沈羨云

2020年7月，美國國家航空航天局（NASA）計劃發(fā)射火星2020探測器，并于2021年2月抵達火星。屆時，它搭載的一架微型機器人飛機—機智號火星直升機將登陸火星。什么是火星直升機呢？我們先從火星2020探測器講起。

火星2020探測器

火星2020探測器由火星車和一個直升機組成?；鹦擒囈驯徽矫麨橐懔μ?，它是由美國弗吉尼亞州的一名中學生亞歷克斯·馬瑟提出的。這將是美國繼海盜1號、海盜2號、火星探路者號、勇氣號、機遇號、好奇號和鳳凰號之后第8艘登上這顆紅色星球的探測器?；鹦?020探測器繼承了于2012年登陸火星的好奇號火星車的諸多特點，但為了執(zhí)行2020年火星任務(wù)的新目標，增加了新的科學儀器、一套采樣系統(tǒng)和一架直升機。返回地球上的實驗室后，研究人員就可以對來自火星的樣本進行分析，判斷火星上是否曾經(jīng)存在過生命，同時也能了解火星上的環(huán)境對將來人工作業(yè)任務(wù)是否有可能造成威脅。

為什么要研制火星直升機

為什么要花費這樣大的精力將直升機送到遙遠的火星呢？這是因為隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，幾乎任何一個領(lǐng)域都會使用到無人機。將無人機送上火星，也是為了更好地探測火星，比如為了未來幾年在火星上安置“天眼”，對火星進行大規(guī)模探測。

與火星車相比，火星直升機非常適合將相機、傳感器和其他儀器帶入極端或不穩(wěn)定的地形中，比如高角度斜坡、懸崖邊、非常粗糙的巨石地形和極軟的土壤等。直升機可以在大面積的地形區(qū)域內(nèi)使用相機和傳感器來探測。例如，它可以對火星表面40公頃的區(qū)域進行詳細掃描。直升機還可以將小型儀器部署到科學家感興趣的地域，或攜帶樣品返回到中央儲存庫進行分析。

火星直升機的另一個優(yōu)勢是擔任中繼通信，目前NASA使用火星勘測軌道飛行器作為火星車與地球之間的中繼平臺，如果火星直升機部署到位，則可以收集到更多關(guān)于火星大氣和地質(zhì)的數(shù)據(jù)，無人機甚至能夠飛遍火星，這是火星車無法做到的。同時，隨著智能機器人技術(shù)的進步，無人機將更加先進，探索火星的效率也會提升。

研制火星直升機的困難

火星直升機的結(jié)構(gòu)看似很簡單，但是要將它送到火星并能夠在火星上飛行，可就沒有那么簡單了。

首先，火星的大氣層不同于地球的大氣層，要薄得多，只有地球大氣層的1%；火星上的重力不到地球重力的40%；火星的大氣密度也很低，只有地球大氣密度的1%。正因為火星空氣稀薄，使得火星直升機無法輕易獲得地球上飛行所需要的足夠的氣動升力。為了在相當于地球上30400米高度的大氣環(huán)境中實現(xiàn)升空，火星直升機的旋翼葉片必須以每分鐘約3000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，大約要比在地球上的直升機旋翼的轉(zhuǎn)速快10倍。

其次，在火星直升機進入火星大氣層時，還必須解決它的防熱問題。為此，要將火星直升機的機翼縮起來，裝進一個外面有防熱層的殼體內(nèi)，這對直升機的結(jié)構(gòu)、材料和控制，都提出了較高的要求。為了使火星直升機能實現(xiàn)最大航程，對其推進系統(tǒng)也有嚴格的要求。

最后，如果在地球上對火星直升機進行遙控，通信時會存在信號傳輸延遲的問題。根據(jù)計算，從地球發(fā)射的信號要23分鐘才能到達火星。為此，火星直升機要有很強的自主判斷和執(zhí)行能力，不能完全依賴地面控制，必須使用預(yù)設(shè)程序的自動駕駛儀。同時，它必須能夠自主飛行并維持穩(wěn)定狀態(tài)，并且系統(tǒng)必須能夠在天然粗糙的巖石地表反復(fù)起降。

火星直升機的任務(wù)

火星直升機的主要目的是評估這項技術(shù)是否能夠在火星大氣環(huán)境中實現(xiàn)安全、可靠的飛行，并能夠提供更好的火星表面測繪工作，以及引導(dǎo)火星車前進的路線，從而為火星探測任務(wù)控制人員提供更多的信息，幫助他們規(guī)劃探測路線和規(guī)避危險。火星直升機的探索工作將為地外星球飛行器的研制工作奠定基礎(chǔ)，為將來開發(fā)更強大的火星直升機開拓道路。作為世界上第一個抵達地外行星的人造飛行器，它將創(chuàng)下全新的歷史。