火星直升机来啦！

文 贲勋

近日，据报道，美国宇航局已经完成了首架火星直升机的组装工作，预计2020年发射升空， 并于2021年2月抵达火星表面，以利用该装置来了解火星和验证它的适航条件，为今后人类使用飞行器在火星和其他行星开展探测进行技术验证。那么，火星直升机与地球上使用的直升机相比，有哪些特殊之处呢？

补齐行星探测重要一环

目前，人类对行星的探测手段主要有环绕探测、原位探测和巡视探测3种。

环绕探测是通过环绕在月球、火星等轨道上的航天器，利用遥感探测的手段来完成，通俗地讲，就是给行星拍照来研究该行星的情况。由于航天器距离被探测行星较远，受像素影响，很难得到丰富的数据。

原位探测则是利用着陆在行星表面的航天器，对着陆位置及周围的岩石、大气或生物信息开展研究。

巡视探测是指利用可以在行星表面移动的航天器进行探测，它的探测范围比原位探测有所扩展，得到的数据更全面。

不管是原位探测还是巡视探测，都可以理解为是对行星的贴近观测。如果用拍照来比喻就是给行星特写， 虽然探测细节很丰富，但视野较窄。如果从高度上来定义，环绕探测属于高位探测，原位探测和巡视探测属于低位探测，而利用飞行器在距离行星表面一定高度内的巡航探测，则可认为是中位探测。

目前，行星中位探测还属于空白，美国宇航局研制的火星直升机如果能在火星上试飞成功，将填补该空白， 对火星探测以及对整个行星探测都有着重大意义，意味着补齐了人类行星探测高度的重要一环。

为低位探测充当开路先锋

相较于高位探测和低位探测，行星中位探测有着独特优势。中位探测在连续探测时间、探测范围和探测精度这3个方面，能够达到更好的平衡。

在火星大气层内，由于飞行器的飞行高度较低，只需搭载重量不大的探测载荷就能实现精度较高的“遥感”。同时，飞行器在空中的移动速度比地面巡视器更快，能在短时间内完成对一片区域的全面探测，并可以重访有重要现象发生的地方。此外，飞行器探测受地形影响较少，能够到达地面巡视器所无法到达的区域，因此，探测任务可以更灵活。

飞行器还可以充当“侦察兵”角色，对火星地面巡视器前方的地形地貌和可能发生的现象进行先行探测，为科研人员决定地面巡视器下一步该朝哪个方向移动提供关键数据。

从人类航天发展的历程来看，中位探测迟迟未开展，是由于让飞行器在非地球的行星上飞行极其困难。以火星为例，在无人机技术成熟前，在地球大气层内巡航的飞行器都是有人驾驶，因此在相当长的一段时间里，利用飞行器探测火星的想法只好束之高阁。近年来，随着无人机技术的快速发展，使得在火星大气层内进行巡航探测成为了可能，科研人员再一次将目光投向了行星中位探测。

需要克服火星稀薄大气

美国宇航局进行的火星直升机项目于2013年正式启动。在无人机的选型上，科研人员选择了直升机而不是固定翼飞机，主要是考虑到火星表面没有机场跑道供固定翼飞机起降。此外，直升机可以实现空中悬停，大大方便了对火星表面的探测。

研制火星直升机并不是一件容易的事情。火星的大气密度只有地球大气密度的1/100，因此，直升机必须拥有更强劲的升力装置才能克服火星稀薄大气的限制。

直升机之所以能够起飞，是借助它的旋翼在一定密度大气中产生的升力。如果空气的密度过低，要么提升直升机旋翼的转速，要么加大旋翼面积，再或者就是减小飞机自身重量，否则直升机将难以飞起来。要想让直升机在火星表面飞起来，旋翼转速至少要达到2400转/分钟，才可以提供足够的升力让直升机在空中飞行。

火星直升机面对的挑战不仅包括火星上稀薄的大气，还必须要将系统质量做到非常小，才不至于超越直升机的升力承载极限，这就对直升机的材料和动力系统提出了更苛刻的要求。

此外，火星直升机必须能够自主飞行并维持稳定状态，并且系统必须能够在天然粗糙的岩石地表反复起降，这对直升机的飞控系统是一个严峻考验。同时，火星直升机必须能够适应火星上包括剧烈的沙暴和气旋等在内的极端环境条件。

火星直升机的出现是行星探测领域的重要契机，有航天专家表示，飞行器在“另一个星球”飞行是可以和莱特兄弟于1903年在地球上驾驶飞机，实现人类首次飞行相提并论的“历史性”事件。

如果美国宇航局研制的火星直升机在火星表面飞行成功，人类探测行星的能力将获得极大提升，相关技术的研制将对飞行器设计、材料、动力、自动驾驶、中继通信领域产生巨大的牵引和推动作用。未来，行星无人固定翼飞行器、有人驾驶飞行器都会以此为基础得到蓬勃发展。