火星直升機(jī)來啦！

文 賁勛

近日，據(jù)報道，美國宇航局已經(jīng)完成了首架火星直升機(jī)的組裝工作，預(yù)計2020年發(fā)射升空， 并于2021年2月抵達(dá)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(jìn)行技術(shù)驗證。那么，火星直升機(jī)與地球上使用的直升機(jī)相比，有哪些特殊之處呢？

補齊行星探測重要一環(huán)

目前，人類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3種。

環(huán)繞探測是通過環(huán)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(yuǎn)，受像素影響，很難得到豐富的數(shù)據(jù)。

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(jìn)行探測，它的探測范圍比原位探測有所擴(kuò)展，得到的數(shù)據(jù)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(xì)節(jié)很豐富，但視野較窄。如果從高度上來定義，環(huán)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(nèi)的巡航探測，則可認(rèn)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(jī)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(huán)。

為低位探測充當(dāng)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(yōu)勢。中位探測在連續(xù)探測時間、探測范圍和探測精度這3個方面，能夠達(dá)到更好的平衡。

在火星大氣層內(nèi)，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(xiàn)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(nèi)完成對一片區(qū)域的全面探測，并可以重訪有重要現(xiàn)象發(fā)生的地方。此外，飛行器探測受地形影響較少，能夠到達(dá)地面巡視器所無法到達(dá)的區(qū)域，因此，探測任務(wù)可以更靈活。

飛行器還可以充當(dāng)“偵察兵”角色，對火星地面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，為科研人員決定地面巡視器下一步該朝哪個方向移動提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

從人類航天發(fā)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(jī)技術(shù)成熟前，在地球大氣層內(nèi)巡航的飛行器都是有人駕駛，因此在相當(dāng)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(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得在火星大氣層內(nèi)進(jìn)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(jìn)行的火星直升機(jī)項目于2013年正式啟動。在無人機(jī)的選型上，科研人員選擇了直升機(jī)而不是固定翼飛機(jī)，主要是考慮到火星表面沒有機(jī)場跑道供固定翼飛機(jī)起降。此外，直升機(jī)可以實現(xiàn)空中懸停，大大方便了對火星表面的探測。

研制火星直升機(jī)并不是一件容易的事情?；鹦堑拇髿饷芏戎挥械厍虼髿饷芏鹊?/100，因此，直升機(jī)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(jī)之所以能夠起飛，是借助它的旋翼在一定密度大氣中產(chǎn)生的升力。如果空氣的密度過低，要么提升直升機(jī)旋翼的轉(zhuǎn)速，要么加大旋翼面積，再或者就是減小飛機(jī)自身重量，否則直升機(jī)將難以飛起來。要想讓直升機(jī)在火星表面飛起來，旋翼轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到2400轉(zhuǎn)/分鐘，才可以提供足夠的升力讓直升機(jī)在空中飛行。

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

此外，火星直升機(jī)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，這對直升機(jī)的飛控系統(tǒng)是一個嚴(yán)峻考驗。同時，火星直升機(jī)必須能夠適應(yīng)火星上包括劇烈的沙暴和氣旋等在內(nèi)的極端環(huán)境條件。

火星直升機(jī)的出現(xiàn)是行星探測領(lǐng)域的重要契機(jī)，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(jī)，實現(xiàn)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(jī)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(guān)技術(shù)的研制將對飛行器設(shè)計、材料、動力、自動駕駛、中繼通信領(lǐng)域產(chǎn)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(chǔ)得到蓬勃發(fā)展。