火星直升機

沈羨云

2020年7月，美國國家航空航天局（NASA）計劃發射火星2020探測器，并于2021年2月抵達火星。屆時，它搭載的一架微型機器人飛機—機智號火星直升機將登陸火星。什么是火星直升機呢？我們先從火星2020探測器講起。

火星2020探測器

火星2020探測器由火星車和一個直升機組成。火星車已被正式命名為毅力號，它是由美國弗吉尼亞州的一名中學生亞歷克斯·馬瑟提出的。這將是美國繼海盜1號、海盜2號、火星探路者號、勇氣號、機遇號、好奇號和鳳凰號之后第8艘登上這顆紅色星球的探測器。火星2020探測器繼承了于2012年登陸火星的好奇號火星車的諸多特點，但為了執行2020年火星任務的新目標，增加了新的科學儀器、一套采樣系統和一架直升機。返回地球上的實驗室后，研究人員就可以對來自火星的樣本進行分析，判斷火星上是否曾經存在過生命，同時也能了解火星上的環境對將來人工作業任務是否有可能造成威脅。

為什么要研制火星直升機

為什么要花費這樣大的精力將直升機送到遙遠的火星呢？這是因為隨著無人機技術的發展，幾乎任何一個領域都會使用到無人機。將無人機送上火星，也是為了更好地探測火星，比如為了未來幾年在火星上安置“天眼”，對火星進行大規模探測。

與火星車相比，火星直升機非常適合將相機、傳感器和其他儀器帶入極端或不穩定的地形中，比如高角度斜坡、懸崖邊、非常粗糙的巨石地形和極軟的土壤等。直升機可以在大面積的地形區域內使用相機和傳感器來探測。例如，它可以對火星表面40公頃的區域進行詳細掃描。直升機還可以將小型儀器部署到科學家感興趣的地域，或攜帶樣品返回到中央儲存庫進行分析。

火星直升機的另一個優勢是擔任中繼通信，目前NASA使用火星勘測軌道飛行器作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，則可以收集到更多關于火星大氣和地質的數據，無人機甚至能夠飛遍火星，這是火星車無法做到的。同時，隨著智能機器人技術的進步，無人機將更加先進，探索火星的效率也會提升。

研制火星直升機的困難

火星直升機的結構看似很簡單，但是要將它送到火星并能夠在火星上飛行，可就沒有那么簡單了。

首先，火星的大氣層不同于地球的大氣層，要薄得多，只有地球大氣層的1%；火星上的重力不到地球重力的40%；火星的大氣密度也很低，只有地球大氣密度的1%。正因為火星空氣稀薄，使得火星直升機無法輕易獲得地球上飛行所需要的足夠的氣動升力。為了在相當于地球上30400米高度的大氣環境中實現升空，火星直升機的旋翼葉片必須以每分鐘約3000轉的速度旋轉，大約要比在地球上的直升機旋翼的轉速快10倍。

其次，在火星直升機進入火星大氣層時，還必須解決它的防熱問題。為此，要將火星直升機的機翼縮起來，裝進一個外面有防熱層的殼體內，這對直升機的結構、材料和控制，都提出了較高的要求。為了使火星直升機能實現最大航程，對其推進系統也有嚴格的要求。

最后，如果在地球上對火星直升機進行遙控，通信時會存在信號傳輸延遲的問題。根據計算，從地球發射的信號要23分鐘才能到達火星。為此，火星直升機要有很強的自主判斷和執行能力，不能完全依賴地面控制，必須使用預設程序的自動駕駛儀。同時，它必須能夠自主飛行并維持穩定狀態，并且系統必須能夠在天然粗糙的巖石地表反復起降。

火星直升機的任務

火星直升機的主要目的是評估這項技術是否能夠在火星大氣環境中實現安全、可靠的飛行，并能夠提供更好的火星表面測繪工作，以及引導火星車前進的路線，從而為火星探測任務控制人員提供更多的信息，幫助他們規劃探測路線和規避危險。火星直升機的探索工作將為地外星球飛行器的研制工作奠定基礎，為將來開發更強大的火星直升機開拓道路。作為世界上第一個抵達地外行星的人造飛行器，它將創下全新的歷史。