火星飛機(jī)何時(shí)才能首飛

　　我國(guó)的火星探測(cè)任務(wù)已正式立項(xiàng)，將在2020年前后發(fā)射火星探測(cè)器。上周，我國(guó)首次公布了火星探測(cè)器和火星車(chē)的外觀設(shè)計(jì)構(gòu)型。

　　火星這顆紅色的星球?qū)τ谌祟?lèi)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在是越來(lái)越“近”了。隨著國(guó)際上對(duì)火星探測(cè)步伐的加快，加上科幻大片的烘托，感覺(jué)送人去火星似乎也就是近在咫尺的事了。那么，有沒(méi)有想過(guò)火星飛機(jī)何時(shí)起飛，誰(shuí)又將成為它的研制者呢?

　　人類(lèi)目前對(duì)于火星的探測(cè)，采用的只有軌道器和著陸器。前者是對(duì)火星全球的觀測(cè)，空間分辨率和時(shí)間分辨率都不高，后者只能觀測(cè)局部地區(qū)，無(wú)法提供地形的詳情，因此需要發(fā)展能夠綜合兩者優(yōu)點(diǎn)、擯棄兩者缺點(diǎn)的火星航空器———火星飛機(jī)或直升機(jī)。

　　火星飛機(jī)面臨哪些難題

　　人類(lèi)在實(shí)現(xiàn)有動(dòng)力飛行之后就一直在設(shè)想，能否在火星上使用航空器，為火星探測(cè)和科學(xué)研究提供幫助?　答案是肯定的，但這一想法要成為現(xiàn)實(shí)，卻面臨重重困難。

　　早在上世紀(jì)50年代，航天先驅(qū)沃納·馮·布勞恩就勾勒出一幅有著又長(zhǎng)又大機(jī)翼的飛機(jī)降落在火星的場(chǎng)景。70年代，美國(guó)宇航局　(NASA)　研制成功了高空無(wú)人駕駛飛機(jī)。由于它使用的肼發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在火星以二氧化碳為主的空氣中工作，為火星飛機(jī)的研發(fā)提供了一個(gè)可行的思路。但這一切構(gòu)想后來(lái)被證明是過(guò)于樂(lè)觀了。

　　為什么研發(fā)火星航空器會(huì)如此困難?　原因有三：

　　1、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%；火星上的重力也不到地球重力的40%，而火星的大氣密度很低，只有地球海平面大氣密度的1.6%，這意味著火星飛機(jī)的飛行雷諾數(shù)　(Re)，要比地球上飛機(jī)的飛行雷諾數(shù)小兩個(gè)量級(jí)。

　　正因?yàn)榛鹦强諝庀”?，使得火星飛機(jī)無(wú)法輕易獲得地球飛行所需要的足夠的氣動(dòng)升力。當(dāng)火星飛機(jī)剛剛進(jìn)入火星大氣層的時(shí)候，它會(huì)像一塊石頭一樣下落數(shù)公里，然后才能獲得足夠的升力，開(kāi)始平穩(wěn)的飛行。此時(shí)，它仍然缺乏良好的機(jī)動(dòng)性，例如在轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)彎的半徑甚至可達(dá)好幾公里。

　　2、在火星飛機(jī)進(jìn)入火星大氣層時(shí)，還必須解決它的防熱問(wèn)題。為此，要將火星飛機(jī)的機(jī)翼縮起來(lái)，裝進(jìn)一個(gè)外面有防熱層的殼體內(nèi)，然后下降到一定高度后，再將機(jī)翼從殼體內(nèi)釋放出來(lái)。因此，對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料和控制，都提出了較高的要求。為了使飛機(jī)能有最大的航程，對(duì)其推進(jìn)系統(tǒng)也有嚴(yán)格的要求。

　　3、如果從地球上對(duì)火星飛機(jī)進(jìn)行遙控，通信時(shí)存在信號(hào)傳輸延遲的問(wèn)題。根據(jù)計(jì)算，在相距最遠(yuǎn)時(shí)，從地球發(fā)射的信號(hào)要23分鐘才能到達(dá)火星。為此，火星飛機(jī)要有很強(qiáng)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(dòng)駕駛儀。

　　研制火星無(wú)人機(jī)之路

　　火星無(wú)人機(jī)的研發(fā)，經(jīng)歷　了一波三折，至今尚未成為現(xiàn)實(shí)。

　　1999年初，NASA計(jì)劃派遣一個(gè)小型遙控飛機(jī)去火星，并計(jì)劃于2003年　12月17日到達(dá)火星，以紀(jì)念萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)100周年?？上г诓痪弥?，NASA因接連損失兩艘火星探測(cè)器，研發(fā)火星飛機(jī)的計(jì)劃也因此被迫中斷。

　　在這之后，NASA蘭利中心提出了“區(qū)域性環(huán)境航空測(cè)量　(ARES)”的火星飛機(jī)計(jì)劃?；鹦菬o(wú)人機(jī)將裝在一個(gè)由外表隔熱罩保護(hù)的殼體內(nèi)進(jìn)入火星大氣層，然后殼體利用降落傘逐漸接近地面。當(dāng)?shù)竭_(dá)距火星表面1.5公里左右時(shí)被釋放，再啟動(dòng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)?。ㄍ七M(jìn)劑為一甲基肼和三氧化二氮），以每小時(shí)320公里的速度進(jìn)行采樣和測(cè)量。ARES到達(dá)火星后，將在覆蓋以前從未探索過(guò)的1500千米的區(qū)域內(nèi)飛行，以測(cè)量火星大氣，尋找水的跡象，收集化學(xué)傳感數(shù)據(jù)，研究地殼磁場(chǎng)，并向地球發(fā)回遙感圖像。

　　NASA蘭利中心為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和風(fēng)洞試驗(yàn)。2002年9月19日，他們成功進(jìn)行了一次名叫“火星鷹”的縮比50%模型飛機(jī)在地球高空的飛行試驗(yàn)。在一個(gè)半小時(shí)的飛行中，充分展示了其良好的飛行性能。由于火星上的引力比地球引力小得多，這樣，飛機(jī)在火星上空保持平飛的難度將會(huì)大大降低。最后幾秒鐘，飛機(jī)由地面人員使用無(wú)線電控制操縱臺(tái)控制，在跑道上成功軟著陸。

　　ARES原計(jì)劃加入NASA火星探索項(xiàng)目于2011年發(fā)射，不過(guò)NASA最終并未將其列入。目前，NASA蘭利中心仍為爭(zhēng)取下一次飛行機(jī)會(huì)作準(zhǔn)備。

　　2015年7月6日，NASA發(fā)布了可以在火星飛行的第一架飛機(jī)的消息。這架無(wú)人機(jī)可以在火星上巡邏，以尋找未來(lái)載人項(xiàng)目的著陸點(diǎn)。這個(gè)名為“著陸火星空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)初步研究”的飛機(jī)是一個(gè)飛翼式飛機(jī)，它由NASA阿邁斯中心設(shè)計(jì)。

　　這架飛機(jī)由裝在未來(lái)火星漫游車(chē)外罩里的3U立方體納衛(wèi)星來(lái)控制它的折疊和部署。立方體納衛(wèi)星是一個(gè)用于太空研究的微型衛(wèi)星，它的三維各約10厘米，3U是指3個(gè)這樣的衛(wèi)星堆疊在一起。這架飛機(jī)將成為外罩里載重的一部分，被攜帶至火星再?gòu)椛涑鰜?lái)。飛機(jī)可以在火星大氣層里飛行、滑行和著陸，飛越科學(xué)家們提議的未來(lái)航天員可以著陸的幾個(gè)地點(diǎn)，并向地球發(fā)回非常細(xì)節(jié)的高分辨率地形圖像照片，從而告訴科學(xué)家們這些著陸點(diǎn)是否適合著陸。

　　從科幻走向現(xiàn)實(shí)的

　　火星直升機(jī)

　　在許多科幻片中，都出現(xiàn)過(guò)火星直升機(jī)的身影。在崎嶇不平的水星表面，直升機(jī)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

　　自2013年7月以來(lái)，“好奇號(hào)”火星車(chē)在火星表面行駛了大約7.3公里，平均每月行駛約400米左右。在一個(gè)火星日　(24小時(shí)39分35秒)內(nèi)，它的移動(dòng)距離只有十多米至幾十米。NASA位于加州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室　(JPL)，設(shè)想未來(lái)的火星漫游車(chē)將攜帶一架小型火星直升機(jī)。

　　這種直升機(jī)將每天升空，用于勘察火星車(chē)周遭的環(huán)境狀況，而它的效率，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的火星漫游車(chē)。它將與未來(lái)的火星車(chē)一起被發(fā)射，前往火星并著陸。在使用時(shí)，它將起飛并勘測(cè)火星車(chē)周?chē)约扒胺降匦?，從而大大提升火星?chē)路徑規(guī)劃的效率。每天，這種直升機(jī)將在火星上飛行2－3分鐘，飛出大約半公里遠(yuǎn)。

　　此外，借助火星直升機(jī)所拍攝的圖像，比起在距離火星表面240公里高空的火星軌道航空器上用“高分辨率科學(xué)成像相機(jī)”所獲得的圖像，要清晰得多。這款研制中的火星直升機(jī)，采用傳統(tǒng)的旋翼，其頭頂安裝有旋翼翼片。重量約為1公斤，翼片展開(kāi)長(zhǎng)度約1.1米。

　　研制火星直升機(jī)并不容易，因?yàn)榛鹦堑拇髿庖鹊厍虻拇髿庀”〉枚唷Ｒ虼?，直升機(jī)應(yīng)該擁有更強(qiáng)勁的升力裝置，以克服火星稀薄大氣帶來(lái)的升力不足的限制，同時(shí)也必須優(yōu)化直升機(jī)的飛行路線，避開(kāi)可能出現(xiàn)的火星沙塵暴。根據(jù)JPL的計(jì)算，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的功率，要比地球上強(qiáng)100倍以上，才能提供足夠的升力。

　　同時(shí)，在這種小型火星直升機(jī)的頭頂上要安裝太陽(yáng)能板，用于在白天吸收太陽(yáng)能來(lái)確保運(yùn)行，并保證直升機(jī)系統(tǒng)在夜間不至于因溫度過(guò)低而損壞。這樣的設(shè)計(jì)為直升機(jī)延長(zhǎng)任務(wù)期提供了條件。

　　火星直升機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可擔(dān)任中繼通信。目前NASA使用火星軌道航空器作為火星車(chē)與地球之間的中繼平臺(tái)。如果火星直升機(jī)部署到位，我們可以收集到更多關(guān)于火星大氣和地質(zhì)的數(shù)據(jù)，無(wú)人直升機(jī)甚至能夠飛遍火星。同時(shí)，隨著智能機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人直升機(jī)將更加先進(jìn)，探索火星的效率也會(huì)進(jìn)一步提升。

　　從科幻到科學(xué)概念，從概念再到試驗(yàn)，火星直升機(jī)將一步一步走向現(xiàn)實(shí)。

　　國(guó)際研制前景

　　除美國(guó)外，歐洲、俄羅斯和日本等都在開(kāi)展火星航空器的研究工作。中國(guó)也有許多學(xué)者正在進(jìn)行火星航空器的研究，若能得到大力支持，中國(guó)能否在這一領(lǐng)域領(lǐng)先呢?

　　2014年，美國(guó)邁阿密大學(xué)和中國(guó)哈爾濱工程大學(xué)的幾位學(xué)者聯(lián)合提出了“火星全球著陸核動(dòng)力航空探測(cè)器”的方案。它將采用由核裂變反應(yīng)堆加熱火星大氣中的二氧化碳的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。飛機(jī)的巡航馬赫數(shù)為0.41。采用機(jī)翼上的噴流使升力系數(shù)達(dá)到3.5?？傎|(zhì)量為3336公斤。要求它在火星上垂直起降160次，可以在一個(gè)火星年周期內(nèi)，對(duì)火星大氣進(jìn)行探測(cè)和對(duì)火星土壤進(jìn)行采樣。

　　歐洲、俄羅斯和日本也在開(kāi)展火星航空器的研究工作。歐洲航天局也曾委托洛桑理工和蘇黎世高工，共同開(kāi)發(fā)火星太陽(yáng)能無(wú)人飛機(jī)。2004年它們研制出第一架用炭纖維和輕木材做的樣機(jī)。樣機(jī)兩翼展寬3米（為將來(lái)火箭攜帶方便起見(jiàn)，兩翼將能折疊，折疊時(shí)兩翼寬僅1米），重量不超過(guò)3公斤；牽引螺旋槳安置在機(jī)頭，兩翼和機(jī)身上鋪滿了太陽(yáng)能感光材料；機(jī)翼下掛帶兩架高清晰度照相機(jī)。

　　這個(gè)項(xiàng)目后來(lái)并未進(jìn)入工程研制。目前，日本的宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)正在實(shí)施包括著陸器和軌道器在內(nèi)的無(wú)人火星探測(cè)器“MELOS”計(jì)劃。為此，日本東京大學(xué)等聯(lián)合成立了工作組，與NASA合作開(kāi)發(fā)火星無(wú)人機(jī)。按計(jì)劃，“MELOS”將在2020年發(fā)射。

　　另外，美國(guó)的一些民營(yíng)航天企業(yè)，如在硅谷的行星資源公司，也正在開(kāi)發(fā)能在小行星和火星的衛(wèi)星上飛行的航空器。

　　JPL目前已經(jīng)制造了一個(gè)全尺寸的火星直升機(jī)模型，并在模擬火星大氣環(huán)境的大型真空艙內(nèi)進(jìn)行了各種測(cè)試。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在火星環(huán)境下，這種直升機(jī)的旋翼轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到每分鐘2400轉(zhuǎn)以上，才可能產(chǎn)生足夠的升力，讓直升機(jī)能夠在空中飛行2－3分鐘，并飛出半公里遠(yuǎn)的距離。

　　然而，這一火星直升機(jī)項(xiàng)目究竟將于何時(shí)完成研發(fā)，以及它是否將成為預(yù)定于2020年發(fā)射的美國(guó)NASA新一代火星車(chē)項(xiàng)目的一部分，目前尚不得而知。

　　為了進(jìn)一步擴(kuò)大探測(cè)火星表面的范圍和滿足未來(lái)搜尋營(yíng)救失事航天員的需求，NASA正在研究開(kāi)發(fā)大型載人火星直升機(jī)的可行性。NASA阿邁斯中心提出的一個(gè)方案是，若有效載荷為275公斤，直升機(jī)的總重為2750公斤，其中旋翼的槳葉重880公斤，旋翼的直徑為22.9至30.5米之間。

　　大型載人火星直升機(jī)速度的限制和地球的直升機(jī)一樣，主要是當(dāng)速度增加時(shí)，槳葉上的氣流會(huì)因達(dá)到跨聲速而出現(xiàn)激波，從而使阻力大大增加。因此，一般限制槳葉葉尖氣流的馬赫數(shù)不能超過(guò)0.5到0.7。由于火星上聲速比地球要低，在火星上直升機(jī)的最大航速也要低于地球。加之火星大氣稀薄，在升力受限時(shí)，只能從減輕結(jié)構(gòu)重量著手。因此，關(guān)鍵是要發(fā)展適用于機(jī)身、槳葉、槳轂、傳動(dòng)系統(tǒng)等的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。從目前的材料水平來(lái)看，還有較大差距。

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