我國的火星探測任務已正式立項，將在2020年前后發射火星探測器。上周，我國首次公布了火星探測器和火星車的外觀設計構型。

　　火星這顆紅色的星球對于人類來說，現在是越來越“近”了。隨著國際上對火星探測步伐的加快，加上科幻大片的烘托，感覺送人去火星似乎也就是近在咫尺的事了。那么，有沒有想過火星飛機何時起飛，誰又將成為它的研制者呢?

　　人類目前對于火星的探測，采用的只有軌道器和著陸器。前者是對火星全球的觀測，空間分辨率和時間分辨率都不高，后者只能觀測局部地區，無法提供地形的詳情，因此需要發展能夠綜合兩者優點、擯棄兩者缺點的火星航空器———火星飛機或直升機。

　　火星飛機面臨哪些難題

　　人類在實現有動力飛行之后就一直在設想，能否在火星上使用航空器，為火星探測和科學研究提供幫助?　答案是肯定的，但這一想法要成為現實，卻面臨重重困難。

　　早在上世紀50年代，航天先驅沃納·馮·布勞恩就勾勒出一幅有著又長又大機翼的飛機降落在火星的場景。70年代，美國宇航局　(NASA)　研制成功了高空無人駕駛飛機。由于它使用的肼發動機能夠在火星以二氧化碳為主的空氣中工作，為火星飛機的研發提供了一個可行的思路。但這一切構想后來被證明是過于樂觀了。

　　為什么研發火星航空器會如此困難?　原因有三：

　　1、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%；火星上的重力也不到地球重力的40%，而火星的大氣密度很低，只有地球海平面大氣密度的1.6%，這意味著火星飛機的飛行雷諾數　(Re)，要比地球上飛機的飛行雷諾數小兩個量級。

　　正因為火星空氣稀薄，使得火星飛機無法輕易獲得地球飛行所需要的足夠的氣動升力。當火星飛機剛剛進入火星大氣層的時候，它會像一塊石頭一樣下落數公里，然后才能獲得足夠的升力，開始平穩的飛行。此時，它仍然缺乏良好的機動性，例如在轉彎時，轉彎的半徑甚至可達好幾公里。

　　2、在火星飛機進入火星大氣層時，還必須解決它的防熱問題。為此，要將火星飛機的機翼縮起來，裝進一個外面有防熱層的殼體內，然后下降到一定高度后，再將機翼從殼體內釋放出來。因此，對飛機的結構、材料和控制，都提出了較高的要求。為了使飛機能有最大的航程，對其推進系統也有嚴格的要求。

　　3、如果從地球上對火星飛機進行遙控，通信時存在信號傳輸延遲的問題。根據計算，在相距最遠時，從地球發射的信號要23分鐘才能到達火星。為此，火星飛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。

　　研制火星無人機之路

　　火星無人機的研發，經歷　了一波三折，至今尚未成為現實。

　　1999年初，NASA計劃派遣一個小型遙控飛機去火星，并計劃于2003年　12月17日到達火星，以紀念萊特兄弟發明飛機100周年。可惜在不久之后，NASA因接連損失兩艘火星探測器，研發火星飛機的計劃也因此被迫中斷。

　　在這之后，NASA蘭利中心提出了“區域性環境航空測量　(ARES)”的火星飛機計劃。火星無人機將裝在一個由外表隔熱罩保護的殼體內進入火星大氣層，然后殼體利用降落傘逐漸接近地面。當到達距火星表面1.5公里左右時被釋放，再啟動液體火箭發動機　（推進劑為一甲基肼和三氧化二氮），以每小時320公里的速度進行采樣和測量。ARES到達火星后，將在覆蓋以前從未探索過的1500千米的區域內飛行，以測量火星大氣，尋找水的跡象，收集化學傳感數據，研究地殼磁場，并向地球發回遙感圖像。

　　NASA蘭利中心為了實現這個方案，進行了詳細的設計優化和風洞試驗。2002年9月19日，他們成功進行了一次名叫“火星鷹”的縮比50%模型飛機在地球高空的飛行試驗。在一個半小時的飛行中，充分展示了其良好的飛行性能。由于火星上的引力比地球引力小得多，這樣，飛機在火星上空保持平飛的難度將會大大降低。最后幾秒鐘，飛機由地面人員使用無線電控制操縱臺控制，在跑道上成功軟著陸。

　　ARES原計劃加入NASA火星探索項目于2011年發射，不過NASA最終并未將其列入。目前，NASA蘭利中心仍為爭取下一次飛行機會作準備。

　　2015年7月6日，NASA發布了可以在火星飛行的第一架飛機的消息。這架無人機可以在火星上巡邏，以尋找未來載人項目的著陸點。這個名為“著陸火星空氣動力學設計初步研究”的飛機是一個飛翼式飛機，它由NASA阿邁斯中心設計。

　　這架飛機由裝在未來火星漫游車外罩里的3U立方體納衛星來控制它的折疊和部署。立方體納衛星是一個用于太空研究的微型衛星，它的三維各約10厘米，3U是指3個這樣的衛星堆疊在一起。這架飛機將成為外罩里載重的一部分，被攜帶至火星再彈射出來。飛機可以在火星大氣層里飛行、滑行和著陸，飛越科學家們提議的未來航天員可以著陸的幾個地點，并向地球發回非常細節的高分辨率地形圖像照片，從而告訴科學家們這些著陸點是否適合著陸。

　　從科幻走向現實的

　　火星直升機

　　在許多科幻片中，都出現過火星直升機的身影。在崎嶇不平的水星表面，直升機具有很大的優勢。

　　自2013年7月以來，“好奇號”火星車在火星表面行駛了大約7.3公里，平均每月行駛約400米左右。在一個火星日　(24小時39分35秒)內，它的移動距離只有十多米至幾十米。NASA位于加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室　(JPL)，設想未來的火星漫游車將攜帶一架小型火星直升機。

　　這種直升機將每天升空，用于勘察火星車周遭的環境狀況，而它的效率，將遠遠高于傳統的火星漫游車。它將與未來的火星車一起被發射，前往火星并著陸。在使用時，它將起飛并勘測火星車周圍以及前方地形，從而大大提升火星車路徑規劃的效率。每天，這種直升機將在火星上飛行2－3分鐘，飛出大約半公里遠。

　　此外，借助火星直升機所拍攝的圖像，比起在距離火星表面240公里高空的火星軌道航空器上用“高分辨率科學成像相機”所獲得的圖像，要清晰得多。這款研制中的火星直升機，采用傳統的旋翼，其頭頂安裝有旋翼翼片。重量約為1公斤，翼片展開長度約1.1米。

　　研制火星直升機并不容易，因為火星的大氣要比地球的大氣稀薄得多。因此，直升機應該擁有更強勁的升力裝置，以克服火星稀薄大氣帶來的升力不足的限制，同時也必須優化直升機的飛行路線，避開可能出現的火星沙塵暴。根據JPL的計算，直升機旋翼系統的功率，要比地球上強100倍以上，才能提供足夠的升力。

　　同時，在這種小型火星直升機的頭頂上要安裝太陽能板，用于在白天吸收太陽能來確保運行，并保證直升機系統在夜間不至于因溫度過低而損壞。這樣的設計為直升機延長任務期提供了條件。

　　火星直升機的另一個優勢是可擔任中繼通信。目前NASA使用火星軌道航空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，我們可以收集到更多關于火星大氣和地質的數據，無人直升機甚至能夠飛遍火星。同時，隨著智能機器人技術的進步，無人直升機將更加先進，探索火星的效率也會進一步提升。

　　從科幻到科學概念，從概念再到試驗，火星直升機將一步一步走向現實。

　　國際研制前景

　　除美國外，歐洲、俄羅斯和日本等都在開展火星航空器的研究工作。中國也有許多學者正在進行火星航空器的研究，若能得到大力支持，中國能否在這一領域領先呢?

　　2014年，美國邁阿密大學和中國哈爾濱工程大學的幾位學者聯合提出了“火星全球著陸核動力航空探測器”的方案。它將采用由核裂變反應堆加熱火星大氣中的二氧化碳的吸氣式發動機。飛機的巡航馬赫數為0.41。采用機翼上的噴流使升力系數達到3.5。總質量為3336公斤。要求它在火星上垂直起降160次，可以在一個火星年周期內，對火星大氣進行探測和對火星土壤進行采樣。

　　歐洲、俄羅斯和日本也在開展火星航空器的研究工作。歐洲航天局也曾委托洛桑理工和蘇黎世高工，共同開發火星太陽能無人飛機。2004年它們研制出第一架用炭纖維和輕木材做的樣機。樣機兩翼展寬3米（為將來火箭攜帶方便起見，兩翼將能折疊，折疊時兩翼寬僅1米），重量不超過3公斤；牽引螺旋槳安置在機頭，兩翼和機身上鋪滿了太陽能感光材料；機翼下掛帶兩架高清晰度照相機。

　　這個項目后來并未進入工程研制。目前，日本的宇宙航空研究開發機構正在實施包括著陸器和軌道器在內的無人火星探測器“MELOS”計劃。為此，日本東京大學等聯合成立了工作組，與NASA合作開發火星無人機。按計劃，“MELOS”將在2020年發射。

　　另外，美國的一些民營航天企業，如在硅谷的行星資源公司，也正在開發能在小行星和火星的衛星上飛行的航空器。

　　JPL目前已經制造了一個全尺寸的火星直升機模型，并在模擬火星大氣環境的大型真空艙內進行了各種測試。測試結果發現，在火星環境下，這種直升機的旋翼轉速至少要達到每分鐘2400轉以上，才可能產生足夠的升力，讓直升機能夠在空中飛行2－3分鐘，并飛出半公里遠的距離。

　　然而，這一火星直升機項目究竟將于何時完成研發，以及它是否將成為預定于2020年發射的美國NASA新一代火星車項目的一部分，目前尚不得而知。

　　為了進一步擴大探測火星表面的范圍和滿足未來搜尋營救失事航天員的需求，NASA正在研究開發大型載人火星直升機的可行性。NASA阿邁斯中心提出的一個方案是，若有效載荷為275公斤，直升機的總重為2750公斤，其中旋翼的槳葉重880公斤，旋翼的直徑為22.9至30.5米之間。

　　大型載人火星直升機速度的限制和地球的直升機一樣，主要是當速度增加時，槳葉上的氣流會因達到跨聲速而出現激波，從而使阻力大大增加。因此，一般限制槳葉葉尖氣流的馬赫數不能超過0.5到0.7。由于火星上聲速比地球要低，在火星上直升機的最大航速也要低于地球。加之火星大氣稀薄，在升力受限時，只能從減輕結構重量著手。因此，關鍵是要發展適用于機身、槳葉、槳轂、傳動系統等的高強度輕質材料。從目前的材料水平來看，還有較大差距。

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