火星直升機來啦！

文 賁勛

近日，據報道，美國宇航局已經完成了首架火星直升機的組裝工作，預計2020年發射升空， 并于2021年2月抵達火星表面，以利用該裝置來了解火星和驗證它的適航條件，為今后人類使用飛行器在火星和其他行星開展探測進行技術驗證。那么，火星直升機與地球上使用的直升機相比，有哪些特殊之處呢？

補齊行星探測重要一環

目前，人類對行星的探測手段主要有環繞探測、原位探測和巡視探測3種。

環繞探測是通過環繞在月球、火星等軌道上的航天器，利用遙感探測的手段來完成，通俗地講，就是給行星拍照來研究該行星的情況。由于航天器距離被探測行星較遠，受像素影響，很難得到豐富的數據。

原位探測則是利用著陸在行星表面的航天器，對著陸位置及周圍的巖石、大氣或生物信息開展研究。

巡視探測是指利用可以在行星表面移動的航天器進行探測，它的探測范圍比原位探測有所擴展，得到的數據更全面。

不管是原位探測還是巡視探測，都可以理解為是對行星的貼近觀測。如果用拍照來比喻就是給行星特寫， 雖然探測細節很豐富，但視野較窄。如果從高度上來定義，環繞探測屬于高位探測，原位探測和巡視探測屬于低位探測，而利用飛行器在距離行星表面一定高度內的巡航探測，則可認為是中位探測。

目前，行星中位探測還屬于空白，美國宇航局研制的火星直升機如果能在火星上試飛成功，將填補該空白， 對火星探測以及對整個行星探測都有著重大意義，意味著補齊了人類行星探測高度的重要一環。

為低位探測充當開路先鋒

相較于高位探測和低位探測，行星中位探測有著獨特優勢。中位探測在連續探測時間、探測范圍和探測精度這3個方面，能夠達到更好的平衡。

在火星大氣層內，由于飛行器的飛行高度較低，只需搭載重量不大的探測載荷就能實現精度較高的“遙感”。同時，飛行器在空中的移動速度比地面巡視器更快，能在短時間內完成對一片區域的全面探測，并可以重訪有重要現象發生的地方。此外，飛行器探測受地形影響較少，能夠到達地面巡視器所無法到達的區域，因此，探測任務可以更靈活。

飛行器還可以充當“偵察兵”角色，對火星地面巡視器前方的地形地貌和可能發生的現象進行先行探測，為科研人員決定地面巡視器下一步該朝哪個方向移動提供關鍵數據。

從人類航天發展的歷程來看，中位探測遲遲未開展，是由于讓飛行器在非地球的行星上飛行極其困難。以火星為例，在無人機技術成熟前，在地球大氣層內巡航的飛行器都是有人駕駛，因此在相當長的一段時間里，利用飛行器探測火星的想法只好束之高閣。近年來，隨著無人機技術的快速發展，使得在火星大氣層內進行巡航探測成為了可能，科研人員再一次將目光投向了行星中位探測。

需要克服火星稀薄大氣

美國宇航局進行的火星直升機項目于2013年正式啟動。在無人機的選型上，科研人員選擇了直升機而不是固定翼飛機，主要是考慮到火星表面沒有機場跑道供固定翼飛機起降。此外，直升機可以實現空中懸停，大大方便了對火星表面的探測。

研制火星直升機并不是一件容易的事情。火星的大氣密度只有地球大氣密度的1/100，因此，直升機必須擁有更強勁的升力裝置才能克服火星稀薄大氣的限制。

直升機之所以能夠起飛，是借助它的旋翼在一定密度大氣中產生的升力。如果空氣的密度過低，要么提升直升機旋翼的轉速，要么加大旋翼面積，再或者就是減小飛機自身重量，否則直升機將難以飛起來。要想讓直升機在火星表面飛起來，旋翼轉速至少要達到2400轉/分鐘，才可以提供足夠的升力讓直升機在空中飛行。

火星直升機面對的挑戰不僅包括火星上稀薄的大氣，還必須要將系統質量做到非常小，才不至于超越直升機的升力承載極限，這就對直升機的材料和動力系統提出了更苛刻的要求。

此外，火星直升機必須能夠自主飛行并維持穩定狀態，并且系統必須能夠在天然粗糙的巖石地表反復起降，這對直升機的飛控系統是一個嚴峻考驗。同時，火星直升機必須能夠適應火星上包括劇烈的沙暴和氣旋等在內的極端環境條件。

火星直升機的出現是行星探測領域的重要契機，有航天專家表示，飛行器在“另一個星球”飛行是可以和萊特兄弟于1903年在地球上駕駛飛機，實現人類首次飛行相提并論的“歷史性”事件。

如果美國宇航局研制的火星直升機在火星表面飛行成功，人類探測行星的能力將獲得極大提升，相關技術的研制將對飛行器設計、材料、動力、自動駕駛、中繼通信領域產生巨大的牽引和推動作用。未來，行星無人固定翼飛行器、有人駕駛飛行器都會以此為基礎得到蓬勃發展。