火星飞机何时才能首飞

　　我国的火星探测任务已正式立项，将在2020年前后发射火星探测器。上周，我国首次公布了火星探测器和火星车的外观设计构型。

　　火星这颗红色的星球对于人类来说，现在是越来越“近”了。随着国际上对火星探测步伐的加快，加上科幻大片的烘托，感觉送人去火星似乎也就是近在咫尺的事了。那么，有没有想过火星飞机何时起飞，谁又将成为它的研制者呢?

　　人类目前对于火星的探测，采用的只有轨道器和着陆器。前者是对火星全球的观测，空间分辨率和时间分辨率都不高，后者只能观测局部地区，无法提供地形的详情，因此需要发展能够综合两者优点、摈弃两者缺点的火星航空器———火星飞机或直升机。

　　火星飞机面临哪些难题

　　人类在实现有动力飞行之后就一直在设想，能否在火星上使用航空器，为火星探测和科学研究提供帮助?　答案是肯定的，但这一想法要成为现实，却面临重重困难。

　　早在上世纪50年代，航天先驱沃纳·冯·布劳恩就勾勒出一幅有着又长又大机翼的飞机降落在火星的场景。70年代，美国宇航局　(NASA)　研制成功了高空无人驾驶飞机。由于它使用的肼发动机能够在火星以二氧化碳为主的空气中工作，为火星飞机的研发提供了一个可行的思路。但这一切构想后来被证明是过于乐观了。

　　为什么研发火星航空器会如此困难?　原因有三：

　　1、火星的大气层不同于地球的大气层，要薄得多，只有地球大气层的1%；火星上的重力也不到地球重力的40%，而火星的大气密度很低，只有地球海平面大气密度的1.6%，这意味着火星飞机的飞行雷诺数　(Re)，要比地球上飞机的飞行雷诺数小两个量级。

　　正因为火星空气稀薄，使得火星飞机无法轻易获得地球飞行所需要的足够的气动升力。当火星飞机刚刚进入火星大气层的时候，它会像一块石头一样下落数公里，然后才能获得足够的升力，开始平稳的飞行。此时，它仍然缺乏良好的机动性，例如在转弯时，转弯的半径甚至可达好几公里。

　　2、在火星飞机进入火星大气层时，还必须解决它的防热问题。为此，要将火星飞机的机翼缩起来，装进一个外面有防热层的壳体内，然后下降到一定高度后，再将机翼从壳体内释放出来。因此，对飞机的结构、材料和控制，都提出了较高的要求。为了使飞机能有最大的航程，对其推进系统也有严格的要求。

　　3、如果从地球上对火星飞机进行遥控，通信时存在信号传输延迟的问题。根据计算，在相距最远时，从地球发射的信号要23分钟才能到达火星。为此，火星飞机要有很强的自主判断和执行能力，不能完全依赖地面控制，必须使用预设程序的自动驾驶仪。

　　研制火星无人机之路

　　火星无人机的研发，经历　了一波三折，至今尚未成为现实。

　　1999年初，NASA计划派遣一个小型遥控飞机去火星，并计划于2003年　12月17日到达火星，以纪念莱特兄弟发明飞机100周年。可惜在不久之后，NASA因接连损失两艘火星探测器，研发火星飞机的计划也因此被迫中断。

　　在这之后，NASA兰利中心提出了“区域性环境航空测量　(ARES)”的火星飞机计划。火星无人机将装在一个由外表隔热罩保护的壳体内进入火星大气层，然后壳体利用降落伞逐渐接近地面。当到达距火星表面1.5公里左右时被释放，再启动液体火箭发动机　（推进剂为一甲基肼和三氧化二氮），以每小时320公里的速度进行采样和测量。ARES到达火星后，将在覆盖以前从未探索过的1500千米的区域内飞行，以测量火星大气，寻找水的迹象，收集化学传感数据，研究地壳磁场，并向地球发回遥感图像。

　　NASA兰利中心为了实现这个方案，进行了详细的设计优化和风洞试验。2002年9月19日，他们成功进行了一次名叫“火星鹰”的缩比50%模型飞机在地球高空的飞行试验。在一个半小时的飞行中，充分展示了其良好的飞行性能。由于火星上的引力比地球引力小得多，这样，飞机在火星上空保持平飞的难度将会大大降低。最后几秒钟，飞机由地面人员使用无线电控制操纵台控制，在跑道上成功软着陆。

　　ARES原计划加入NASA火星探索项目于2011年发射，不过NASA最终并未将其列入。目前，NASA兰利中心仍为争取下一次飞行机会作准备。

　　2015年7月6日，NASA发布了可以在火星飞行的第一架飞机的消息。这架无人机可以在火星上巡逻，以寻找未来载人项目的着陆点。这个名为“着陆火星空气动力学设计初步研究”的飞机是一个飞翼式飞机，它由NASA阿迈斯中心设计。

　　这架飞机由装在未来火星漫游车外罩里的3U立方体纳卫星来控制它的折叠和部署。立方体纳卫星是一个用于太空研究的微型卫星，它的三维各约10厘米，3U是指3个这样的卫星堆叠在一起。这架飞机将成为外罩里载重的一部分，被携带至火星再弹射出来。飞机可以在火星大气层里飞行、滑行和着陆，飞越科学家们提议的未来航天员可以着陆的几个地点，并向地球发回非常细节的高分辨率地形图像照片，从而告诉科学家们这些着陆点是否适合着陆。

　　从科幻走向现实的

　　火星直升机

　　在许多科幻片中，都出现过火星直升机的身影。在崎岖不平的水星表面，直升机具有很大的优势。

　　自2013年7月以来，“好奇号”火星车在火星表面行驶了大约7.3公里，平均每月行驶约400米左右。在一个火星日　(24小时39分35秒)内，它的移动距离只有十多米至几十米。NASA位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室　(JPL)，设想未来的火星漫游车将携带一架小型火星直升机。

　　这种直升机将每天升空，用于勘察火星车周遭的环境状况，而它的效率，将远远高于传统的火星漫游车。它将与未来的火星车一起被发射，前往火星并着陆。在使用时，它将起飞并勘测火星车周围以及前方地形，从而大大提升火星车路径规划的效率。每天，这种直升机将在火星上飞行2－3分钟，飞出大约半公里远。

　　此外，借助火星直升机所拍摄的图像，比起在距离火星表面240公里高空的火星轨道航空器上用“高分辨率科学成像相机”所获得的图像，要清晰得多。这款研制中的火星直升机，采用传统的旋翼，其头顶安装有旋翼翼片。重量约为1公斤，翼片展开长度约1.1米。

　　研制火星直升机并不容易，因为火星的大气要比地球的大气稀薄得多。因此，直升机应该拥有更强劲的升力装置，以克服火星稀薄大气带来的升力不足的限制，同时也必须优化直升机的飞行路线，避开可能出现的火星沙尘暴。根据JPL的计算，直升机旋翼系统的功率，要比地球上强100倍以上，才能提供足够的升力。

　　同时，在这种小型火星直升机的头顶上要安装太阳能板，用于在白天吸收太阳能来确保运行，并保证直升机系统在夜间不至于因温度过低而损坏。这样的设计为直升机延长任务期提供了条件。

　　火星直升机的另一个优势是可担任中继通信。目前NASA使用火星轨道航空器作为火星车与地球之间的中继平台。如果火星直升机部署到位，我们可以收集到更多关于火星大气和地质的数据，无人直升机甚至能够飞遍火星。同时，随着智能机器人技术的进步，无人直升机将更加先进，探索火星的效率也会进一步提升。

　　从科幻到科学概念，从概念再到试验，火星直升机将一步一步走向现实。

　　国际研制前景

　　除美国外，欧洲、俄罗斯和日本等都在开展火星航空器的研究工作。中国也有许多学者正在进行火星航空器的研究，若能得到大力支持，中国能否在这一领域领先呢?

　　2014年，美国迈阿密大学和中国哈尔滨工程大学的几位学者联合提出了“火星全球着陆核动力航空探测器”的方案。它将采用由核裂变反应堆加热火星大气中的二氧化碳的吸气式发动机。飞机的巡航马赫数为0.41。采用机翼上的喷流使升力系数达到3.5。总质量为3336公斤。要求它在火星上垂直起降160次，可以在一个火星年周期内，对火星大气进行探测和对火星土壤进行采样。

　　欧洲、俄罗斯和日本也在开展火星航空器的研究工作。欧洲航天局也曾委托洛桑理工和苏黎世高工，共同开发火星太阳能无人飞机。2004年它们研制出第一架用炭纤维和轻木材做的样机。样机两翼展宽3米（为将来火箭携带方便起见，两翼将能折叠，折叠时两翼宽仅1米），重量不超过3公斤；牵引螺旋桨安置在机头，两翼和机身上铺满了太阳能感光材料；机翼下挂带两架高清晰度照相机。

　　这个项目后来并未进入工程研制。目前，日本的宇宙航空研究开发机构正在实施包括着陆器和轨道器在内的无人火星探测器“MELOS”计划。为此，日本东京大学等联合成立了工作组，与NASA合作开发火星无人机。按计划，“MELOS”将在2020年发射。

　　另外，美国的一些民营航天企业，如在硅谷的行星资源公司，也正在开发能在小行星和火星的卫星上飞行的航空器。

　　JPL目前已经制造了一个全尺寸的火星直升机模型，并在模拟火星大气环境的大型真空舱内进行了各种测试。测试结果发现，在火星环境下，这种直升机的旋翼转速至少要达到每分钟2400转以上，才可能产生足够的升力，让直升机能够在空中飞行2－3分钟，并飞出半公里远的距离。

　　然而，这一火星直升机项目究竟将于何时完成研发，以及它是否将成为预定于2020年发射的美国NASA新一代火星车项目的一部分，目前尚不得而知。

　　为了进一步扩大探测火星表面的范围和满足未来搜寻营救失事航天员的需求，NASA正在研究开发大型载人火星直升机的可行性。NASA阿迈斯中心提出的一个方案是，若有效载荷为275公斤，直升机的总重为2750公斤，其中旋翼的桨叶重880公斤，旋翼的直径为22.9至30.5米之间。

　　大型载人火星直升机速度的限制和地球的直升机一样，主要是当速度增加时，桨叶上的气流会因达到跨声速而出现激波，从而使阻力大大增加。因此，一般限制桨叶叶尖气流的马赫数不能超过0.5到0.7。由于火星上声速比地球要低，在火星上直升机的最大航速也要低于地球。加之火星大气稀薄，在升力受限时，只能从减轻结构重量着手。因此，关键是要发展适用于机身、桨叶、桨毂、传动系统等的高强度轻质材料。从目前的材料水平来看，还有较大差距。

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