文 賁勛

近日，據(jù)報(bào)道，美國(guó)宇航局已經(jīng)完成了首架火星直升機(jī)的組裝工作，預(yù)計(jì)2020年發(fā)射升空， 并于2021年2月抵達(dá)火星表面，以利用該裝置來(lái)了解火星和驗(yàn)證它的適航條件，為今后人類使用飛行器在火星和其他行星開(kāi)展探測(cè)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。那么，火星直升機(jī)與地球上使用的直升機(jī)相比，有哪些特殊之處呢？

補(bǔ)齊行星探測(cè)重要一環(huán)

目前，人類對(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)3種。

環(huán)繞探測(cè)是通過(guò)環(huán)繞在月球、火星等軌道上的航天器，利用遙感探測(cè)的手段來(lái)完成，通俗地講，就是給行星拍照來(lái)研究該行星的情況。由于航天器距離被探測(cè)行星較遠(yuǎn)，受像素影響，很難得到豐富的數(shù)據(jù)。

原位探測(cè)則是利用著陸在行星表面的航天器，對(duì)著陸位置及周圍的巖石、大氣或生物信息開(kāi)展研究。

巡視探測(cè)是指利用可以在行星表面移動(dòng)的航天器進(jìn)行探測(cè)，它的探測(cè)范圍比原位探測(cè)有所擴(kuò)展，得到的數(shù)據(jù)更全面。

不管是原位探測(cè)還是巡視探測(cè)，都可以理解為是對(duì)行星的貼近觀測(cè)。如果用拍照來(lái)比喻就是給行星特寫， 雖然探測(cè)細(xì)節(jié)很豐富，但視野較窄。如果從高度上來(lái)定義，環(huán)繞探測(cè)屬于高位探測(cè)，原位探測(cè)和巡視探測(cè)屬于低位探測(cè)，而利用飛行器在距離行星表面一定高度內(nèi)的巡航探測(cè)，則可認(rèn)為是中位探測(cè)。

目前，行星中位探測(cè)還屬于空白，美國(guó)宇航局研制的火星直升機(jī)如果能在火星上試飛成功，將填補(bǔ)該空白， 對(duì)火星探測(cè)以及對(duì)整個(gè)行星探測(cè)都有著重大意義，意味著補(bǔ)齊了人類行星探測(cè)高度的重要一環(huán)。

為低位探測(cè)充當(dāng)開(kāi)路先鋒

相較于高位探測(cè)和低位探測(cè)，行星中位探測(cè)有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。中位探測(cè)在連續(xù)探測(cè)時(shí)間、探測(cè)范圍和探測(cè)精度這3個(gè)方面，能夠達(dá)到更好的平衡。

在火星大氣層內(nèi)，由于飛行器的飛行高度較低，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”。同時(shí)，飛行器在空中的移動(dòng)速度比地面巡視器更快，能在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)一片區(qū)域的全面探測(cè)，并可以重訪有重要現(xiàn)象發(fā)生的地方。此外，飛行器探測(cè)受地形影響較少，能夠到達(dá)地面巡視器所無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，因此，探測(cè)任務(wù)可以更靈活。

飛行器還可以充當(dāng)“偵察兵”角色，對(duì)火星地面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)，為科研人員決定地面巡視器下一步該朝哪個(gè)方向移動(dòng)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

從人類航天發(fā)展的歷程來(lái)看，中位探測(cè)遲遲未開(kāi)展，是由于讓飛行器在非地球的行星上飛行極其困難。以火星為例，在無(wú)人機(jī)技術(shù)成熟前，在地球大氣層內(nèi)巡航的飛行器都是有人駕駛，因此在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，利用飛行器探測(cè)火星的想法只好束之高閣。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得在火星大氣層內(nèi)進(jìn)行巡航探測(cè)成為了可能，科研人員再一次將目光投向了行星中位探測(cè)。

需要克服火星稀薄大氣

美國(guó)宇航局進(jìn)行的火星直升機(jī)項(xiàng)目于2013年正式啟動(dòng)。在無(wú)人機(jī)的選型上，科研人員選擇了直升機(jī)而不是固定翼飛機(jī)，主要是考慮到火星表面沒(méi)有機(jī)場(chǎng)跑道供固定翼飛機(jī)起降。此外，直升機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空中懸停，大大方便了對(duì)火星表面的探測(cè)。

研制火星直升機(jī)并不是一件容易的事情?；鹦堑拇髿饷芏戎挥械厍虼髿饷芏鹊?/100，因此，直升機(jī)必須擁有更強(qiáng)勁的升力裝置才能克服火星稀薄大氣的限制。

直升機(jī)之所以能夠起飛，是借助它的旋翼在一定密度大氣中產(chǎn)生的升力。如果空氣的密度過(guò)低，要么提升直升機(jī)旋翼的轉(zhuǎn)速，要么加大旋翼面積，再或者就是減小飛機(jī)自身重量，否則直升機(jī)將難以飛起來(lái)。要想讓直升機(jī)在火星表面飛起來(lái)，旋翼轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到2400轉(zhuǎn)/分鐘，才可以提供足夠的升力讓直升機(jī)在空中飛行。

火星直升機(jī)面對(duì)的挑戰(zhàn)不僅包括火星上稀薄的大氣，還必須要將系統(tǒng)質(zhì)量做到非常小，才不至于超越直升機(jī)的升力承載極限，這就對(duì)直升機(jī)的材料和動(dòng)力系統(tǒng)提出了更苛刻的要求。

此外，火星直升機(jī)必須能夠自主飛行并維持穩(wěn)定狀態(tài)，并且系統(tǒng)必須能夠在天然粗糙的巖石地表反復(fù)起降，這對(duì)直升機(jī)的飛控系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)。同時(shí)，火星直升機(jī)必須能夠適應(yīng)火星上包括劇烈的沙暴和氣旋等在內(nèi)的極端環(huán)境條件。

火星直升機(jī)的出現(xiàn)是行星探測(cè)領(lǐng)域的重要契機(jī)，有航天專家表示，飛行器在“另一個(gè)星球”飛行是可以和萊特兄弟于1903年在地球上駕駛飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)人類首次飛行相提并論的“歷史性”事件。

如果美國(guó)宇航局研制的火星直升機(jī)在火星表面飛行成功，人類探測(cè)行星的能力將獲得極大提升，相關(guān)技術(shù)的研制將對(duì)飛行器設(shè)計(jì)、材料、動(dòng)力、自動(dòng)駕駛、中繼通信領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的牽引和推動(dòng)作用。未來(lái)，行星無(wú)人固定翼飛行器、有人駕駛飛行器都會(huì)以此為基礎(chǔ)得到蓬勃發(fā)展。