無人直升機挑戰火星任務

孟陵

3月底，美國國家航空航天局（NASA）在官網發布了一篇關于火星直升機的新聞報道，從1月下旬開始，NASA的火星直升機原型機已經進入了驗證程序，到目前為止，所有部件都經受了嚴格的考驗，在模擬火星工作條件下成功進行了運轉，并完成了核心試驗任務——進行試飛和懸停測試。

在火星上飛行是人類由來已久的夢想。迄今為止，人類共實施了42次火星探測任務，超過90%的探測任務未能完成預定目標，遑論火星飛行器的實現了。隨著微電子芯片技術、先進金屬/非金屬航空航天材料技術的進展，向火星發射較為簡單易行的無人直升機的思路成為了主流。美歐主要宇航研究機構都對火星直升機項目進行了探索和研究，其中美國人的研究成果最為豐富。2000年，馬里蘭大學的格索飛行器研究中心開始對采用共軸反轉雙旋翼結構的火星無人機技術進行探索，并在次年研制了火星直升機“MlCRO”，對火星直升機中關鍵的旋翼技術進行了深入研究，取得了關鍵性的成果。2004年，NASA旗下的噴氣推進實驗室（JPL）在對比了各種火星無人機方案之后，選定火星直升機為未來火星無人機的研究方向，隨后聯合馬里蘭大學、喬治亞理工學院等共同進行火星直升機的研發工作。

2015年，JPL官方發布了火星直升機原理樣機JPL-2015，其全重約為2磅（約0.9千克），并在模擬火星大氣環境下完成了各種飛行動作的測試。而在今年初投入測試的火星直升機則是1：1的正樣機，與將要在2021年2月登陸火星的火星直升機完全一致。與原理樣機相比，正樣機由于安裝了全部設備，包括通信設備、高分辨率彩色攝像機、太陽能電池板以及可充電式鋰電池等，其重量提高到了約4磅（約1.8千克）。

火星直升機的技術挑戰

在地球上，由于存在著稠密的低層大氣，直升機的飛行現在已經是司空見慣。然而，在離地球數億千米遠的火星大氣中飛行，就完全不是一回事了?！盎鹦堑拇髿饷芏戎挥械厍蛏系陌俜种弧！盢ASA/JPL火星直升機項目經理米米·昂解釋說：“我們的測試飛行要在地球上實現類似的大氣密度——這相當于把你的機場放到10萬英尺（3萬米）以上的高度。所以，你不能在某個地方找到它，你必須制造它?！?p>

用于測試的火星探測直升機原理樣機JPL-2015

火星直升機采用了雙葉片共軸對轉旋翼，為了產生足夠的升力，其轉速高達約3000轉/分鐘，幾乎是地球上直升機的10倍。由于火星大氣密度極低，地球上傳統的直升機旋翼技術是不適用的，馬里蘭大學的研究奠定了火星直升機旋翼技術的基礎。研究證明，采用非常規的曲線翼型（極薄的翼型厚度以及較大的翼型弧度）能夠顯著地提升直升機在火星大氣條件下的升阻比與效率。但是，這種極薄的翼型厚度將顯著降低旋翼的強度與剛度，幸好，現代的高強度碳纖維復合編織技術解決了這個問題，不僅可以保證旋翼的強度和剛度滿足要求，同時還能將其重量降低到極致?；鹦侵鄙龣C旋翼還采用了仿生學的技術成果，在旋翼尖部和內側翼弦后端，均設置了微型配重，就像蜻蜓的翅膀一般，可以防止薄薄的旋翼在高速旋轉中發生有害的震顫。

昂和她的火星直升機團隊在JPL的火星環境模擬器中對火星大氣進行了模擬，這是一個25英尺（約7.6米）寬的真空室。首先，工作人員利用真空泵將室內的空氣抽出，隨后，注入適量的二氧化碳（火星大氣的主要成分）來模擬火星大氣的密度。

除了稀薄的火星大氣之外，另外一個挑戰是模擬火星上較小的引力環境。JPL火星直升機的測試指揮特德-贊尼托斯說道：“為了真正模擬在火星上的飛行，我們必須減少三分之二的地球引力，因為火星的引力要弱得多?！?/p>

一個簡單的引力卸載系統實現了這個目標，通過將一根彈力掛繩連接在火星直升機的頂端，即可持續提供相當于地球重力三分之二的減載。“重力卸載系統表現完美，就像我們的直升機一樣?！辟澞嵬兴拐f，“我們只需要一次2英寸（約5厘米）的懸停，以獲得確認我們的火星直升機在火星稀薄大氣中自主飛行所需的所有數據。這是第一次飛行，沒有必要飛得更高。”

首次飛行測試之后的第二天，火星直升機繼續進行了第二次飛行，在2英寸高度上懸停了1分鐘的時間，這證明了火星直升機各部件的系統完整性，可以有效的進行協調工作。昂指出，火星直升機的樣機已經進行了累計超過75分鐘的飛行，這些測試對火星直升機樣機來講是真實的挑戰。

但是，火星直升機需要面對的真實火星大氣條件將比實驗室中的條件要惡劣得多。與地球相比，火星白晝的最高氣溫可以達到30℃左右，夜晚的最低氣溫則可以降低到零下90℃左右，在反復的冷熱交替變化中，火星直升機的各個元器件能否經受住長期考驗，仍然是個未知數。為了抵御火星的夜間低溫，火星直升機專門配備了一個加熱元件，使用內置的鋰電池供電，以維持電源和核心控制系統的溫度。而與氣溫的極度變化相比，肆虐火星的沙塵暴更是可怕的敵人，“機遇”號和“勇氣”號火星探測器都是因為沙塵暴而導致太陽能電池無法充電，最后相繼失效的。除了可能導致充電困難之外，被沙塵暴掀起在火星大氣中的細小塵埃有可能導致火星直升機高速旋轉的旋翼加速磨損，這對采用極薄翼型的火星直升機旋翼而言，是一個必須正視的嚴重威脅。

火星直升機將于2020年7月與“火星2020”探測器一起發射，預計將于2021年2月到達火星?；鹦侵鄙龣C將協助“火星2020”探測器對火星上的著陸點進行地質評估，確定環境的可居住性，尋找古代火星生命的跡象，并為未來登陸火星的第一批人類探險者評估自然資源和災害。

登陸火星之后，“火星2020”探測器將找到一個合適的位置來釋放火星直升機，以便其進行首次試飛。火星直升機的第一次飛行將以短暫的垂直爬升開始，高度不超過10英尺（約3米），并在返回火星表面之前，懸停約30秒。如果一切順利的話，將在接下來的一個月內進行另外五次飛行，實現更大的飛行高度和距離，持續飛行時間也增加到最多90秒?；鹦侵鄙龣C的短途旅行見聞將由其攜帶的攝像機記錄下來，并通過火星2020探測器中轉，傳送給地球上熱切期待的科學家們。NASA科學任務理事會副主任托馬斯-佐伯琴評論說：“我們已經從地面和軌道上看到了火星的美景。隨著火星直升機烏瞰視圖的加入，我們能更好的構想未來的任務將如何實施?！?/p>

JPL在一份聲明中宣稱，如果成功，火星直升機將成為第一個在火星稀薄的大氣層中飛行的、重于空氣的飛行器。NASA革命性垂直升力技術（RVLT）項目經理蘇珊·戈登說道：“火星直升機的首次飛行就像萊特兄弟‘飛行者1號取得的成就一般，代表了新時代的開端。對于我們這些研究與飛行有關的所有事情的人來說，這將是一個非凡的歷史性時刻?！?/p>

責任編輯：王鑫邦