火星直升机

沈羡云

2020年7月，美国国家航空航天局（NASA）计划发射火星2020探测器，并于2021年2月抵达火星。届时，它搭载的一架微型机器人飞机—机智号火星直升机将登陆火星。什么是火星直升机呢？我们先从火星2020探测器讲起。

火星2020探测器

火星2020探测器由火星车和一个直升机组成。火星车已被正式命名为毅力号，它是由美国弗吉尼亚州的一名中学生亚历克斯·马瑟提出的。这将是美国继海盗1号、海盗2号、火星探路者号、勇气号、机遇号、好奇号和凤凰号之后第8艘登上这颗红色星球的探测器。火星2020探测器继承了于2012年登陆火星的好奇号火星车的诸多特点，但为了执行2020年火星任务的新目标，增加了新的科学仪器、一套采样系统和一架直升机。返回地球上的实验室后，研究人员就可以对来自火星的样本进行分析，判断火星上是否曾经存在过生命，同时也能了解火星上的环境对将来人工作业任务是否有可能造成威胁。

为什么要研制火星直升机

为什么要花费这样大的精力将直升机送到遥远的火星呢？这是因为随着无人机技术的发展，几乎任何一个领域都会使用到无人机。将无人机送上火星，也是为了更好地探测火星，比如为了未来几年在火星上安置“天眼”，对火星进行大规模探测。

與火星车相比，火星直升机非常适合将相机、传感器和其他仪器带入极端或不稳定的地形中，比如高角度斜坡、悬崖边、非常粗糙的巨石地形和极软的土壤等。直升机可以在大面积的地形区域内使用相机和传感器来探测。例如，它可以对火星表面40公顷的区域进行详细扫描。直升机还可以将小型仪器部署到科学家感兴趣的地域，或携带样品返回到中央储存库进行分析。

火星直升机的另一个优势是担任中继通信，目前NASA使用火星勘测轨道飞行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，则可以收集到更多关于火星大气和地质的数据，无人机甚至能够飞遍火星，这是火星车无法做到的。同时，随着智能机器人技术的进步，无人机将更加先进，探索火星的效率也会提升。

研制火星直升机的困难

火星直升机的结构看似很简单，但是要将它送到火星并能够在火星上飞行，可就没有那么简单了。

首先，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%；火星上的重力不到地球重力的40%；火星的大气密度也很低，只有地球大气密度的1%。正因为火星空气稀薄，使得火星直升机无法轻易获得地球上飞行所需要的足够的气动升力。为了在相当于地球上30400米高度的大气环境中实现升空，火星直升机的旋翼叶片必须以每分钟约3000转的速度旋转，大约要比在地球上的直升机旋翼的转速快10倍。

其次，在火星直升机进入火星大气层时，还必须解决它的防热问题。为此，要将火星直升机的机翼缩起来，装进一个外面有防热层的壳体内，这对直升机的结构、材料和控制，都提出了较高的要求。为了使火星直升机能实现最大航程，对其推进系统也有严格的要求。

最后，如果在地球上对火星直升机进行遥控，通信时会存在信号传输延迟的问题。根据计算，从地球发射的信号要23分钟才能到达火星。为此，火星直升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。同时，它必须能够自主飞行并维持稳定状态，并且系统必须能够在天然粗糙的岩石地表反复起降。

火星直升机的任务

火星直升机的主要目的是评估这项技术是否能够在火星大气环境中实现安全、可靠的飞行，并能够提供更好的火星表面测绘工作，以及引导火星车前进的路线，从而为火星探测任务控制人员提供更多的信息，帮助他们规划探测路线和规避危险。火星直升机的探索工作将为地外星球飞行器的研制工作奠定基础，为将来开发更强大的火星直升机开拓道路。作为世界上第一个抵达地外行星的人造飞行器，它将创下全新的历史。