无人直升机挑战火星任务

孟陵

3月底，美国国家航空航天局（NASA）在官网发布了一篇关于火星直升机的新闻报道，从1月下旬开始，NASA的火星直升机原型机已经进入了验证程序，到目前为止，所有部件都经受了严格的考验，在模拟火星工作条件下成功进行了运转，并完成了核心试验任务——进行试飞和悬停测试。

在火星上飞行是人类由来已久的梦想。迄今为止，人类共实施了42次火星探测任务，超过90%的探测任务未能完成预定目标，遑论火星飞行器的实现了。随着微电子芯片技术、先进金属/非金属航空航天材料技术的进展，向火星发射较为简单易行的无人直升机的思路成为了主流。美欧主要宇航研究机构都对火星直升机项目进行了探索和研究，其中美国人的研究成果最为丰富。2000年，马里兰大学的格索飞行器研究中心开始对采用共轴反转双旋翼结构的火星无人机技术进行探索，并在次年研制了火星直升机“MlCRO”，对火星直升机中关键的旋翼技术进行了深入研究，取得了关键性的成果。2004年，NASA旗下的喷气推进实验室（JPL）在对比了各种火星无人机方案之后，选定火星直升机为未来火星无人机的研究方向，随后联合马里兰大学、乔治亚理工学院等共同进行火星直升机的研发工作。

2015年，JPL官方发布了火星直升机原理样机JPL-2015，其全重约为2磅（约0.9千克），并在模拟火星大气环境下完成了各种飞行动作的测试。而在今年初投入测试的火星直升机则是1：1的正样机，与将要在2021年2月登陆火星的火星直升机完全一致。与原理样机相比，正样机由于安装了全部设备，包括通信设备、高分辨率彩色摄像机、太阳能电池板以及可充电式锂电池等，其重量提高到了约4磅（约1.8千克）。

火星直升机的技术挑战

在地球上，由于存在着稠密的低层大气，直升机的飞行现在已经是司空见惯。然而，在离地球数亿千米远的火星大气中飞行，就完全不是一回事了。“火星的大气密度只有地球上的百分之一。”NASA/JPL火星直升机项目经理米米·昂解释说：“我们的测试飞行要在地球上实现类似的大气密度——这相当于把你的机场放到10万英尺（3万米）以上的高度。所以，你不能在某个地方找到它，你必须制造它。”

用于测试的火星探测直升机原理样机JPL-2015

火星直升机采用了双叶片共轴对转旋翼，为了产生足够的升力，其转速高达约3000转/分钟，几乎是地球上直升机的10倍。由于火星大气密度极低，地球上传统的直升机旋翼技术是不适用的，马里兰大学的研究奠定了火星直升机旋翼技术的基础。研究证明，采用非常规的曲线翼型（极薄的翼型厚度以及较大的翼型弧度）能够显著地提升直升机在火星大气条件下的升阻比与效率。但是，这种极薄的翼型厚度将显著降低旋翼的强度与刚度，幸好，现代的高强度碳纤维复合编织技术解决了这个问题，不仅可以保证旋翼的强度和刚度满足要求，同时还能将其重量降低到极致。火星直升机旋翼还采用了仿生学的技术成果，在旋翼尖部和内侧翼弦后端，均设置了微型配重，就像蜻蜓的翅膀一般，可以防止薄薄的旋翼在高速旋转中发生有害的震颤。

昂和她的火星直升机团队在JPL的火星环境模拟器中对火星大气进行了模拟，这是一个25英尺（约7.6米）宽的真空室。首先，工作人员利用真空泵将室内的空气抽出，随后，注入适量的二氧化碳（火星大气的主要成分）来模拟火星大气的密度。

除了稀薄的火星大气之外，另外一个挑战是模拟火星上较小的引力环境。JPL火星直升机的测试指挥特德-赞尼托斯说道：“为了真正模拟在火星上的飞行，我们必须减少三分之二的地球引力，因为火星的引力要弱得多。”

一个简单的引力卸载系统实现了这个目标，通过将一根弹力挂绳连接在火星直升机的顶端，即可持续提供相当于地球重力三分之二的减载。“重力卸载系统表现完美，就像我们的直升机一样。”赞尼托斯说，“我们只需要一次2英寸（约5厘米）的悬停，以获得确认我们的火星直升机在火星稀薄大气中自主飞行所需的所有数据。这是第一次飞行，没有必要飞得更高。”

首次飞行测试之后的第二天，火星直升机继续进行了第二次飞行，在2英寸高度上悬停了1分钟的时间，这证明了火星直升机各部件的系统完整性，可以有效的进行协调工作。昂指出，火星直升机的样机已经进行了累计超过75分钟的飞行，这些测试对火星直升机样机来讲是真实的挑战。

但是，火星直升机需要面对的真实火星大气条件将比实验室中的条件要恶劣得多。与地球相比，火星白昼的最高气温可以达到30℃左右，夜晚的最低气温则可以降低到零下90℃左右，在反复的冷热交替变化中，火星直升机的各个元器件能否经受住长期考验，仍然是个未知数。为了抵御火星的夜间低温，火星直升机专门配备了一个加热元件，使用内置的锂电池供电，以维持电源和核心控制系统的温度。而与气温的极度变化相比，肆虐火星的沙尘暴更是可怕的敌人，“机遇”号和“勇气”号火星探测器都是因为沙尘暴而导致太阳能电池无法充电，最后相继失效的。除了可能导致充电困难之外，被沙尘暴掀起在火星大气中的细小尘埃有可能导致火星直升机高速旋转的旋翼加速磨损，这对采用极薄翼型的火星直升机旋翼而言，是一个必须正视的严重威胁。

火星直升机将于2020年7月与“火星2020”探测器一起发射，预计将于2021年2月到达火星。火星直升机将协助“火星2020”探测器对火星上的着陆点进行地质评估，确定环境的可居住性，寻找古代火星生命的迹象，并为未来登陆火星的第一批人类探险者评估自然资源和灾害。

登陆火星之后，“火星2020”探测器将找到一个合适的位置来释放火星直升机，以便其进行首次试飞。火星直升机的第一次飞行将以短暂的垂直爬升开始，高度不超过10英尺（约3米），并在返回火星表面之前，悬停约30秒。如果一切顺利的话，将在接下来的一个月内进行另外五次飞行，实现更大的飞行高度和距离，持续飞行时间也增加到最多90秒。火星直升机的短途旅行见闻将由其携带的摄像机记录下来，并通过火星2020探测器中转，传送给地球上热切期待的科学家们。NASA科学任务理事会副主任托马斯-佐伯琴评论说：“我们已经从地面和轨道上看到了火星的美景。隨着火星直升机乌瞰视图的加入，我们能更好的构想未来的任务将如何实施。”

JPL在一份声明中宣称，如果成功，火星直升机将成为第一个在火星稀薄的大气层中飞行的、重于空气的飞行器。NASA革命性垂直升力技术（RVLT）项目经理苏珊·戈登说道：“火星直升机的首次飞行就像莱特兄弟‘飞行者1号取得的成就一般，代表了新时代的开端。对于我们这些研究与飞行有关的所有事情的人来说，这将是一个非凡的历史性时刻。”

责任编辑：王鑫邦