探测火星为何要用直升机？

　　探测火星为何要用直升机？

　　李会超

　　新闻背景

　　由美国国家航空航天局设计制造的一艘名叫“火星2020”的火星车，将在2020年7月启程奔赴火星，对火星上的环境与地质过程进行更深入的探测，探寻火星上现在或曾经是否有可能存在生命。

　　“火星2020”还有另一项任务：它将携带一架被称为“火星侦查直升机”的航空器，试验这种航空器在火星上飞行的实际效果，为今后使用航空器在其他行星开展探测进行先锋式的技术验证。上个月，这架火星直升机刚刚在NASA喷气动力实验室中完成了在地球上的模拟飞行测试，为前往火星的实战做好了准备。

　　航空器探测优势独特

　　目前，对行星的探测手段主要有环绕探测、原位探测和巡视探测三种。环绕探测，主要通过运行在环绕火星、金星等其他行星的轨道上的航天器，利用遥感探测的手段来完成。遥感探测，通俗讲就是利用各种科学探测仪器在太空中给行星拍“照片”，但这些“照片”不只包含了行星表面的图像信息，一般还有光谱、高程等更为丰富的信息，能够反映行星表面的大气与矿物成分和地形起伏等特征。而原位探测则是利用在行星表面着陆的探测器，对探测器所在位置的岩石、大气或生物信息开展探测。巡视探测同样是在行星表面进行，但由于是由火星车这类可以移动的巡视器进行，因此探测范围能比原位探测有所扩展。

　　对于火星探测来说，环绕探测可以使我们获得有关火星较为全面的信息，而原位和巡视探测则能够使我们获得更为精细的信息，在这几种探测手段的相互配合下，科学家们已经对火星有了一定的了解。然而，由于实施环绕探测的探测器距火星表面的距离一般都在几百公里以上，不容易将火星表面的细节观察得特别清晰。同时，卫星对某一地点进行一次观测后，受运行轨道的限制，必须间隔很长时间后才会对该地点进行再次观测，难以对一些变化较快的现象进行连续观测。而原位探测和巡视探测的精细程度虽然较高，但原位探测仅能在着陆点展开，火星车等巡视器的行走范围也相当有限。以前不久刚刚结束工作的“机遇号”火星车为例，它在14年的工作过程中总共仅移动了45公里，相对于火星两万多公里的周长来说显得微不足道。

　　为了在连续探测时间、探测范围和探测精度这三个因素间达到更好的平衡，科学家们萌生了使用固定翼飞机或直升飞机这些在大气层中飞行的航空器，对火星开展探测的想法。由于航空器的飞行高度较低，因此只需搭载重量不大的探测载荷就能实现精度较高的遥感探测。同时，航空器在空中的移动速度比巡视器快得多，能在短时间内完成对一片区域的全面探测，并能在短时间内重访有重要现象发生的区域，对其进行连续监测。航空器的探测受地形影响较少，能够到达巡视器所无法到达的区域，并在那里着陆进行原位探测，因此探测任务的规划可以相当灵活。最后，航空器还可以充当“侦察兵”的角色，对巡视器前方的地形地貌和可能发生的现象进行先行探测，为科学家们决定巡视器下一步朝哪个方向移动提供关键数据。

　　“火星侦查直升机”将初试牛刀

　　“火星侦查直升机”是使用航空器进行行星探测的第一次尝试，由美国国家航空航天局下属的喷气动力实验室研发设计。这是一台重量仅有1.8千克的小型飞行器，顶部旋翼的直径仅有1.2米，和我们一般概念中在地球上飞行的直升机相比，它的个头要小很多。它采用共轴式双旋翼设计，两个旋翼旋转产生的力矩可以相互抵消，因此无需像地球上的一些直升机一样安装尾桨。由于火星的内禀磁场较弱，不存在规则的南北向磁场，因此火星直升机在飞行过程中无法像地球上一样，使用磁场为自己指示方向。同时，火星附近现在还没有部署类似于GPS的卫星导航网络。为了在这种情况下飞行器仍能够自主导航，喷气动力实验室的科学家们为它设计了利用太阳所在位置和陀螺仪信号进行导航的方案。此外，火星直升机上安装的一台高分辨率相机，也能通过拍摄火星表面影像的方式帮助它选定合适的飞行路线和着陆地点。

　　直升机能够升空飞行，靠的是旋翼在旋转过程中与空气相互作用产生的升力。火星大气的密度仅相当于地球大气的1%，且主要成分是二氧化碳。火星表面的大气密度约等于地球上三万米高空的大气密度。因此，在火星飞行的航空器与火星大气相互作用的情况，与地球上的飞行器将有很大不同。为了更真实地模拟火星环境，科学家们为火星直升机研发了一个特别的模拟装置。在进行测试时，这个装置首先抽走内部的空气，使其处于接近真空的状态。之后，再注入与火星大气成分相同的气体，使装置内部的气体密度和气压与火星表面基本相当。同时，火星上的重力加速度仅为3.7m/s2，远低于地球的9.8m/s2，因此同样质量的物体在火星上受到的重力将比地球上小很多。为了在地球上模拟火星上所受到的重力，这个装置还用一个连接到直升机顶部的机动吊绳提供拉力，抵消一部分重力作用。