來自地球的“大鳥”

張唯誠

自萊特兄弟發明飛機至今，飛機一直沒有飛出地球大氣層，它們真的只能在地球的上空飛行嗎？能不能在其他行星或者衛星的大氣中翱翔？能不能在探索太陽系的宏偉事業中發揮它們的優勢呢？

其實，人們早就有利用飛機探索太陽系的想法。20世紀60年代，科學家們曾設想將一架飛機折疊后裝入一個減速倉中，然后用運載火箭將它送入火星的大氣層。進入火星大氣層后，再把這架飛機從減速倉中彈射出來，其攜帶的降落傘自動打開，同時飛機自身也由折疊狀態逐漸展開成形，最后啟動引擎開始在火星的大氣中飛行。

這個設想到20世紀90年代開始實施，美國宇航局在一項名為“火星全球勘探者”的計劃中附有一項利用飛機考察火星的內容。他們原計劃在2003年的某一天將這個如大鳥般的飛行物送入火星的大氣層，它的翼展為10米，重達150千克，機尾上飛旋的螺旋槳使它能在火星上空自如地飛行。這架美麗的火星飛機被命名為“基蒂霍克”號。基蒂霍克是個地名，位于美國北卡羅來納州，是萊特兄弟的故鄉，而2003年又正值萊特兄弟實現人類駕機飛行100周年。科學家們希望用“基蒂霍克”號的火星之行來紀念這個日子，并宣布火星飛行“基蒂霍克”號開辟了人類飛行史的新時代。

然而不幸的是，1999年，美國宇航局連續損失了兩艘火星航天器，火星飛機的升空計劃也被迫停頓。

火星直升機

盡管“基蒂霍克”號計劃沒有得到實施，但有關火星飛機的研究卻并沒有因此中斷。在人們策劃的行星探測活動中，火星飛機依然是科學家們予以考慮的重要部分。2015年，美國宇航局公布了一項名為“火星直升機”的項目，這是一個配合未來火星車探測火星的“附屬項目”，其目的是幫助火星車快速有效地勘測地形，為火星車選擇最理想、最安全的路徑，從而提升火星車的行走效率。

“火星直升機”的主體看起來像一個中等大小的紙巾盒，重達1千克，頂上裝有螺旋旋翼和太陽能電池，旋翼展開約1.1米。這種飛機在白天每次只飛行2至3分鐘。科學家們認為，“火星直升機”是一個全新的探測工具，將它與火星車結合起來能夠取得更好的探測效果，比如它比火星車的探測面更廣，機動能力更強，可以探測火星車無法抵達的區域。此外，火星直升機也擔任中繼通信的任務，成為火星車與地球之間的中繼平臺。如果火星直升機部署到位，人們就可以收集到更多關于火星大氣和地質方面的科學數據。

然而，由于火星的大氣密度很低，在火星上飛行面臨極大挑戰，所以和地球上的直升機相比，“火星直升機”的旋翼更大，轉速更快，還要盡可能減輕飛機自重和荷載，否則就飛不起來。好在火星的引力相對于地球也更小，在一定程度上緩解了飛行的困難。

“火星直升機”將隨同即將于2020年啟程的NASA新一代火星車“火星2020”前往火星。如果成功，我們將在不久的將來看到由這種“火星直升機”拍攝的精彩圖像。

從火星到金星

與此同時，一款名為ARES的火星飛機也進入了人們的視野，它能在火星的山區上空進行有效的探測，這種地方大多處于火星南半球，是火星車難以施展本領的地方。當ARES抵達了火星上空后，將會同火星車一起離開母船，搭載降落傘向火星表面降落。下降到一定的高度后，火星飛機展開機翼和尾翼，啟動發動機，脫離降落傘，開始自主地展翅飛翔。這種飛機的探測效率很高，它能快速飛掠火星表面的大片區域，執行包括采樣、找水、測量在內的多項任務，是未來探測火星的一種全新手段。

但在火星上飛行并不像在地球上那么輕松，相比較而言，在金星上飛行就容易得多了。金星有濃密的大氣，氣壓與地球相差無幾，質量為地球的4/5，這些條件使金星在很多方面相似于地球。金星稠密的大氣，使金星飛機可以裝備較小的機翼。金星的太陽輻射流非常強烈，且自轉一周的時間相當于地球的243天，這對金星飛機也極為有利，它因此可以獲得充足的太陽能并長時間停留在白天，從而免去儲存能量的麻煩。這些有利條件為科學家研制金星飛機帶來了不少便利。

多年前，科學家就曾設計過一種可折疊的金星飛機，它從地球上發射時，機身和機翼折疊著，進入了金星的大氣層后，就展開成一架可以飛行的飛機。其翼長達9米，上面的太陽能電池板為其提供充足的能源。在低空探測的時候，這種飛機可連續滑行幾個小時，然后重新爬向高空。用這種方法，金星飛機可獲取金星上不同高度的云層和大氣中的各種數據。

開創太陽系探索的新局面

與此同時，科學家們還設計了一種更加先進的金星飛機，它屬于“半無人機半飛艇”形式。這個由諾斯羅普·格魯曼公司設計的機型名為“金星大氣機動平臺”（VAMP），是一種混合動力飛行器，其動力包括太陽能和核能，采用三角飛翼，翼展為55米。雖然比以前設計的金星飛機大多了，但它是充氣的，重量很輕，變形能力很強，所以普通的火箭就能將它送入金星軌道。入軌后，這個復雜的結構會充氣展開，施行減速，進入金星大氣層，并“變形”成一架前方帶有2個螺旋槳的金星飛機。這種金星飛機白天使用太陽能進行工作，晚上則使用攜帶的核電池所提供的核能，借助浮力在50～70千米的高度上漂浮。

根據設計，這只來自地球的“大鳥”，將攜帶20千克的科學載荷在金星的上空展翅飛翔一年之久。科學家們認為，現代金星的大氣組成與古代金星大規模的火山噴發史有著密切的關系。由于金星大氣的組成主要是二氧化碳，其云層的主要成分是硫磺酸，所以科學家們打算讓金星飛機在金星的大氣中檢測硫磺的含量，揭示這種物質與金星獨特地貌之間的聯系。金星飛機上的儀器還可以確定金星大氣中其他各類成分和同位素的比率，幫助科學家研究金星大氣的演化史，揭示金星環境的演變過程。此外，它還要對金星大氣輻射、空氣動力、化學反應等進行研究，以及對金星表面進行遙測。這一系列任務，將為人類研究金星提供前所未有的第一手信息。

除火星和金星外，人們還將用無人機探索遙遠的太陽系中的其他天體。用無人機探測太陽系將成為未來太陽系探索的新趨勢，為太陽系的探索打開全新的局面。