火星直升機(jī)在火星上飛行的想象圖。

　　火星區(qū)域環(huán)境普查航空器。

　　金星大氣機(jī)動(dòng)平臺(tái)。

　　在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試的火星直升機(jī)。

　　李會(huì)超

　　新聞背景

　　由美國(guó)國(guó)家航空航天局設(shè)計(jì)制造的一艘名叫“火星2020”的火星車，將在2020年7月啟程奔赴火星，對(duì)火星上的環(huán)境與地質(zhì)過(guò)程進(jìn)行更深入的探測(cè)，探尋火星上現(xiàn)在或曾經(jīng)是否有可能存在生命。

　　“火星2020”還有另一項(xiàng)任務(wù)：它將攜帶一架被稱為“火星偵查直升機(jī)”的航空器，試驗(yàn)這種航空器在火星上飛行的實(shí)際效果，為今后使用航空器在其他行星開(kāi)展探測(cè)進(jìn)行先鋒式的技術(shù)驗(yàn)證。上個(gè)月，這架火星直升機(jī)剛剛在NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室中完成了在地球上的模擬飛行測(cè)試，為前往火星的實(shí)戰(zhàn)做好了準(zhǔn)備。

　　航空器探測(cè)優(yōu)勢(shì)獨(dú)特

　　目前，對(duì)行星的探測(cè)手段主要有環(huán)繞探測(cè)、原位探測(cè)和巡視探測(cè)三種。環(huán)繞探測(cè)，主要通過(guò)運(yùn)行在環(huán)繞火星、金星等其他行星的軌道上的航天器，利用遙感探測(cè)的手段來(lái)完成。遙感探測(cè)，通俗講就是利用各種科學(xué)探測(cè)儀器在太空中給行星拍“照片”，但這些“照片”不只包含了行星表面的圖像信息，一般還有光譜、高程等更為豐富的信息，能夠反映行星表面的大氣與礦物成分和地形起伏等特征。而原位探測(cè)則是利用在行星表面著陸的探測(cè)器，對(duì)探測(cè)器所在位置的巖石、大氣或生物信息開(kāi)展探測(cè)。巡視探測(cè)同樣是在行星表面進(jìn)行，但由于是由火星車這類可以移動(dòng)的巡視器進(jìn)行，因此探測(cè)范圍能比原位探測(cè)有所擴(kuò)展。

　　對(duì)于火星探測(cè)來(lái)說(shuō)，環(huán)繞探測(cè)可以使我們獲得有關(guān)火星較為全面的信息，而原位和巡視探測(cè)則能夠使我們獲得更為精細(xì)的信息，在這幾種探測(cè)手段的相互配合下，科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)火星有了一定的了解。然而，由于實(shí)施環(huán)繞探測(cè)的探測(cè)器距火星表面的距離一般都在幾百公里以上，不容易將火星表面的細(xì)節(jié)觀察得特別清晰。同時(shí)，衛(wèi)星對(duì)某一地點(diǎn)進(jìn)行一次觀測(cè)后，受運(yùn)行軌道的限制，必須間隔很長(zhǎng)時(shí)間后才會(huì)對(duì)該地點(diǎn)進(jìn)行再次觀測(cè)，難以對(duì)一些變化較快的現(xiàn)象進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。而原位探測(cè)和巡視探測(cè)的精細(xì)程度雖然較高，但原位探測(cè)僅能在著陸點(diǎn)展開(kāi)，火星車等巡視器的行走范圍也相當(dāng)有限。以前不久剛剛結(jié)束工作的“機(jī)遇號(hào)”火星車為例，它在14年的工作過(guò)程中總共僅移動(dòng)了45公里，相對(duì)于火星兩萬(wàn)多公里的周長(zhǎng)來(lái)說(shuō)顯得微不足道。

　　為了在連續(xù)探測(cè)時(shí)間、探測(cè)范圍和探測(cè)精度這三個(gè)因素間達(dá)到更好的平衡，科學(xué)家們萌生了使用固定翼飛機(jī)或直升飛機(jī)這些在大氣層中飛行的航空器，對(duì)火星開(kāi)展探測(cè)的想法。由于航空器的飛行高度較低，因此只需搭載重量不大的探測(cè)載荷就能實(shí)現(xiàn)精度較高的遙感探測(cè)。同時(shí)，航空器在空中的移動(dòng)速度比巡視器快得多，能在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)一片區(qū)域的全面探測(cè)，并能在短時(shí)間內(nèi)重訪有重要現(xiàn)象發(fā)生的區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。航空器的探測(cè)受地形影響較少，能夠到達(dá)巡視器所無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，并在那里著陸進(jìn)行原位探測(cè)，因此探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃可以相當(dāng)靈活。最后，航空器還可以充當(dāng)“偵察兵”的角色，對(duì)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(cè)，為科學(xué)家們決定巡視器下一步朝哪個(gè)方向移動(dòng)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

　　“火星偵查直升機(jī)”將初試牛刀

　　“火星偵查直升機(jī)”是使用航空器進(jìn)行行星探測(cè)的第一次嘗試，由美國(guó)國(guó)家航空航天局下屬的噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室研發(fā)設(shè)計(jì)。這是一臺(tái)重量?jī)H有1.8千克的小型飛行器，頂部旋翼的直徑僅有1.2米，和我們一般概念中在地球上飛行的直升機(jī)相比，它的個(gè)頭要小很多。它采用共軸式雙旋翼設(shè)計(jì)，兩個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩可以相互抵消，因此無(wú)需像地球上的一些直升機(jī)一樣安裝尾槳。由于火星的內(nèi)稟磁場(chǎng)較弱，不存在規(guī)則的南北向磁場(chǎng)，因此火星直升機(jī)在飛行過(guò)程中無(wú)法像地球上一樣，使用磁場(chǎng)為自己指示方向。同時(shí)，火星附近現(xiàn)在還沒(méi)有部署類似于GPS的衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。為了在這種情況下飛行器仍能夠自主導(dǎo)航，噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們?yōu)樗�設(shè)計(jì)了利用太陽(yáng)所在位置和陀螺儀信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航的方案。此外，火星直升機(jī)上安裝的一臺(tái)高分辨率相機(jī)，也能通過(guò)拍攝火星表面影像的方式幫助它選定合適的飛行路線和著陸地點(diǎn)。

　　直升機(jī)能夠升空飛行，靠的是旋翼在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與空氣相互作用產(chǎn)生的升力。火星大氣的密度僅相當(dāng)于地球大氣的1%，且主要成分是二氧化碳。火星表面的大氣密度約等于地球上三萬(wàn)米高空的大氣密度。因此，在火星飛行的航空器與火星大氣相互作用的情況，與地球上的飛行器將有很大不同。為了更真實(shí)地模擬火星環(huán)境，科學(xué)家們?yōu)榛鹦侵鄙龣C(jī)研發(fā)了一個(gè)特別的模擬裝置。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，這個(gè)裝置首先抽走內(nèi)部的空氣，使其處于接近真空的狀態(tài)。之后，再注入與火星大氣成分相同的氣體，使裝置內(nèi)部的氣體密度和氣壓與火星表面基本相當(dāng)。同時(shí)，火星上的重力加速度僅為3.7m/s2，遠(yuǎn)低于地球的9.8m/s2，因此同樣質(zhì)量的物體在火星上受到的重力將比地球上小很多。為了在地球上模擬火星上所受到的重力，這個(gè)裝置還用一個(gè)連接到直升機(jī)頂部的機(jī)動(dòng)吊繩提供拉力，抵消一部分重力作用。

　　按照計(jì)劃，火星直升機(jī)的飛行將在“火星2020”探測(cè)器在火星著陸之后的第60至第90火星日（1火星日的平均長(zhǎng)度約為24小時(shí)37分鐘）展開(kāi)。在第一次的飛行中，它將僅僅爬升到距離地面3米的位置，懸停時(shí)間也不過(guò)30秒，與萊特兄弟進(jìn)行的人類在地球上的首次航空飛行頗有幾分相似。不過(guò)，在之后的30天中，火星直升機(jī)還將進(jìn)行4次飛行，每次飛行的距離和持續(xù)時(shí)間會(huì)不斷增加，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)百米距離的飛行和持續(xù)90秒的懸停。為了保證安全，飛行測(cè)試將在距離“火星2020”火星車100米的范圍之外進(jìn)行，以防因意外墜落砸傷火星車。而為了保持與火星車之間的通信聯(lián)絡(luò)，火星直升機(jī)也不會(huì)到距離火星車1公里外的范圍活動(dòng)。

　　多種多樣的行星和衛(wèi)星探測(cè)航空器

　　如果火星直升機(jī)的飛行測(cè)試一切正常，將會(huì)對(duì)行星探測(cè)中航空器的使用產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。目前，除了已經(jīng)完成設(shè)計(jì)制造的火星直升機(jī)外，科學(xué)家們還提出了不少使用航空器進(jìn)行行星和衛(wèi)星探測(cè)的方案。

　　美國(guó)國(guó)家航空航天局所屬的蘭利研究中心提出的“區(qū)域環(huán)境普查航空器”，是一種對(duì)火星的大氣和磁場(chǎng)開(kāi)展探測(cè)的航空器。和火星直升機(jī)所不同的是，這種航空器是一種固定翼的飛行器，外觀與地球上的固定翼飛機(jī)有些相似。固定翼飛行器需要借助發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的推力增加速度，使飛機(jī)機(jī)翼上產(chǎn)生足夠的升力。這種航空器沒(méi)有采用地球上飛機(jī)常用的噴氣式或螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)，而是計(jì)劃采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，每次飛行可持續(xù)一個(gè)小時(shí)左右。從地球發(fā)射時(shí)，它被折疊在一個(gè)有熱防護(hù)罩的外殼中，在到達(dá)火星并進(jìn)入火星大氣層后，它將會(huì)在適當(dāng)?shù)母叨葘⒆约簭姆雷o(hù)罩中展開(kāi)，進(jìn)入飛行狀態(tài)。不過(guò)，這個(gè)方案目前還只是一種技術(shù)儲(chǔ)備方案。

　　美國(guó)約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室提出的“蜻蜓號(hào)”方案，則把探測(cè)目標(biāo)鎖定在了土星的衛(wèi)星“泰坦”上。已有的探測(cè)數(shù)據(jù)表明，“泰坦”含有多種成分復(fù)雜的含碳化合物。“泰坦”表面還富含水冰，內(nèi)部可能有液態(tài)水構(gòu)成的海洋，是孕育生命誕生的理想場(chǎng)所。對(duì)“泰坦”進(jìn)行各類生命跡象的探測(cè)，很可能有令人驚奇的發(fā)現(xiàn)。“蜻蜓號(hào)”和火星直升機(jī)一樣，也是可以垂直起飛、降落的航空探測(cè)器，其產(chǎn)生升力的裝置為四組小型共軸雙旋翼，外觀和我們常見(jiàn)的航拍無(wú)人機(jī)比較接近。由于能夠垂直起降、飛行，這種探測(cè)器可以在不同地貌特征的探測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行碳水化合物成分的探測(cè)工作，幫助科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了解這顆衛(wèi)星上可能存在的生命。這種探測(cè)器的飛行高度可達(dá)4千米，飛行速度可達(dá)36千米/小時(shí)。目前，“蜻蜓號(hào)”處于方案預(yù)先研究的階段，美國(guó)國(guó)家航空航天局將在今年7月決定是否將其“轉(zhuǎn)正”，成為進(jìn)入實(shí)施階段的科學(xué)探測(cè)任務(wù)。

　　作為地球的另一個(gè)近鄰，金星也是行星探測(cè)的熱點(diǎn)目標(biāo)。美國(guó)宇航工業(yè)巨頭諾斯羅普·格魯曼公司提出的“金星大氣機(jī)動(dòng)平臺(tái)”方案，為探測(cè)金星上的生命跡象提供了新的方式。這是一種充氣式的三角翼飛行器，在進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，能以110千米/小時(shí)的速度飛行。此時(shí)，飛行器90%的升力來(lái)自于翼面的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，10%則來(lái)自于充氣后產(chǎn)生的浮力。而在夜間，它一般會(huì)暫停正常工作，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，使自身徐徐下降到距離金星表面50千米的地方。在那里，它所受到的浮力足以支撐它漂浮在天空中，無(wú)需翼面提供額外的升力。目前，格魯曼公司正在與俄羅斯航天部門和美國(guó)國(guó)家航空航天局同時(shí)保持接觸，希望能通過(guò)這兩個(gè)國(guó)家的航天項(xiàng)目，將金星大氣機(jī)動(dòng)平臺(tái)的方案變成現(xiàn)實(shí)。