探测火星为何要用直升机？

由美国国家航空航天局设计和制造的火星2020漫游者将于2020年7月出发前往火星，对火星的环境和地质过程进行更深入的探索，并探索火星上是否存在或可能存在生命。

“火星2020”还有另一项任务:它将搭载一架名为“火星侦察直升机”的飞机，以测试该飞机在火星上飞行的实际效果，并为未来用该飞机在其他行星上进行探索进行开创性的技术验证。上个月，这架火星直升机刚刚在美国宇航局喷气推进实验室完成了在地球上的模拟飞行测试，为在火星上的实战做准备。

飞机探测有独特的优势。

目前，主要有三种行星探测方法:绕行探测、原地探测和巡逻探测。轨道探索主要是通过对环绕火星、金星和其他行星的航天器进行遥感来完成的。遥感探测，一般来说，是利用各种科学探测仪器拍摄太空中行星的“照片”。然而，这些“照片”不仅包含行星表面的图像信息，而且还包含更丰富的信息，例如光谱和海拔，这些信息可以反映行星表面的大气和矿物成分的特征以及地形起伏。另一方面，原位探测使用一个落在行星表面的探测器来探测探测器所在的岩石、大气或生物信息。巡逻探测也是在行星表面进行的，但是因为它是由诸如漫游者之类的移动漫游者进行的，所以探测范围与原位探测相比可以扩大。

对于火星探索，轨道探索可以使我们获得更全面的火星信息，而原地和巡逻探索可以使我们获得更详细的信息。有了这些探索方法的配合，科学家们已经对火星有了一定的了解。然而，由于进行环航探测的探测器与火星表面之间的距离通常超过几百公里，因此很难清楚地观察到火星表面的细节。同时，在卫星对某个地方进行观测之后，由于其轨道的限制，很难对一些变化迅速的现象进行连续观测，直到需要一个很长的间隔。虽然原位探测和巡逻探测的精度很高，但原位探测只能在着陆点进行，火星车等火星车的行走范围非常有限。例如，最近完成工作的机遇号探测器，在14年的工作中只移动了45公里，与超过20，000公里的火星周长相比，这是微不足道的。

为了在连续探测时间、探测范围和探测精度这三个因素之间取得更好的平衡，科学家们提出了使用在大气层中飞行的固定翼飞机或直升机来进行火星探测的想法。由于飞行器飞行高度低，高精度遥感探测只能通过携带一个重量轻的探测载荷来实现。与此同时，飞机在空中的移动速度比检查员快得多。它可以在短时间内完成对一个区域的整体检测，并在短时间内重新访问发生重要现象的区域，以对其进行持续监控。飞机探测受地形影响较小，可以到达检查员无法到达的区域，并在那里着陆进行原位探测，因此探测任务的规划非常灵活。最后，飞行器还可以充当“侦察兵”来探测漫游者前方的地形和可能的现象，并为科学家提供关键数据来决定漫游者下一步将向哪个方向移动。

“火星侦察直升机”将首次测试牛刀

“火星侦察直升机”是美国国家航空航天局喷气推进实验室首次尝试用飞机进行行星探测。这是一架重量只有1.8公斤的小型飞机，顶部旋翼的直径只有1.2米，比我们一般概念中的在地球上飞行的直升机要小得多。它采用同轴双旋翼设计，两个旋翼旋转产生的扭矩可以相互抵消，因此没有必要像地球上的一些直升机那样安装尾旋翼。由于火星的固有磁场很弱，而且没有正常的南北磁场，火星直升机不能像在地球上一样，在飞行中用磁场来指示方向。与此同时，在火星附近没有部署类似全球定位系统的卫星导航网络。为了让飞机在这种情况下仍能自主导航，喷气推进实验室的科学家们设计了一个方案，让它利用太阳的位置和陀螺信号进行导航。此外，安装在火星直升机上的高分辨率照相机也可以通过拍摄火星表面的图像来帮助它选择合适的飞行路线和着陆点。

直升机可以起飞飞行，依靠旋转过程中旋翼和空气相互作用产生的升力。火星大气层的密度只有地球大气层的1%，其主要成分是二氧化碳。火星表面的大气密度大约等于地球上海拔30，000米处的大气密度。因此，在火星上飞行的航天器和火星大气之间的相互作用将与在地球上的非常不同。为了更真实地模拟火星环境，科学家们为火星直升机开发了一种特殊的模拟装置。在测试过程中，设备首先抽出内部空气，使其处于接近真空的状态。之后，注入与火星大气成分相同的气体，使装置内的气体密度和压力基本上等于火星表面。与此同时，火星上的重力加速度只有3.7米/秒2，比地球上的9.8米/秒2低得多，所以同样质量的物体在火星上的重力要比在地球上小得多。为了模拟火星在地球上的重力，该设备还使用了连接到直升机顶部的机动吊索来提供张力以抵消部分重力。

根据计划，火星直升机的飞行将在火星2020探测器登陆火星后的第60到90天开始(1个火星天的平均长度约为24小时37分钟)。在第一次飞行中，它只会爬到离地面3米的位置，盘旋30秒，这与莱特兄弟在地球上的第一次人类飞行非常相似。然而，在接下来的30天里，火星直升机将再进行4次飞行，每次飞行的距离和持续时间将继续增加，最终实现数百米的飞行和持续90秒的悬停。为了确保安全，飞行试验将在火星2020探测车100米范围内进行，以防止意外坠落伤害探测车。为了保持与火星车的通信，火星直升机不会在火星车1公里范围内移动。

各种行星和卫星探测飞机

如果火星直升机的所有飞行试验都是正常的，这将极大地促进飞行器在行星探索中的使用。目前，除了已经设计和制造的火星直升机，科学家们还提出了许多使用飞机进行行星和卫星探索的计划。

美国宇航局兰利研究中心提出的“区域环境调查飞机”是一种探测火星大气和磁场的飞机。与火星直升机不同，这种飞机是一种固定翼飞机，它的外形与地球上的固定翼飞机有些相似。固定翼飞机需要通过发动机的推力输出来提高速度，以在机翼上产生足够的升力。这种飞机不使用地球上飞机常用的喷气或螺旋桨发动机，但计划使用火箭发动机，每次飞行可持续约一小时。当它从地球上发射时，它被折叠在一个带有隔热罩的外壳中。到达火星并进入火星大气层后，它将在适当的高度从防护罩中展开，进入飞行状态。然而，这个计划仍然只是一个技术储备计划。

美国约翰·霍普金斯应用物理实验室提出的“蜻蜓”项目瞄准了土星的卫星土卫六。现有的检测数据显示，“泰坦”含有多种复杂的碳化合物。土卫六的表面也富含水冰，其内部可能包含液态水的海洋，这使得它成为生命诞生的理想场所。在土卫六上发现各种生命迹象可能令人惊讶。像火星直升机一样，蜻蜓也是一个可以垂直起飞和降落的航空探测器。其提升装置由四组同轴的小双转子组成。它的外观接近于我们常见的无人驾驶飞行器。由于它能够垂直起飞、着陆和飞行，探测器可以在具有不同地貌特征的探测点探测碳水化合物成分，以帮助科学家发现和理解卫星上可能存在的生命。探测器可以在4千米的高度和36千米/小时的速度飞行。目前，“蜻蜓”号正处于项目的前期研究阶段。美国宇航局将在今年7月决定是否将其“正规化”，使其成为处于实施阶段的科学探索任务。

作为地球的另一个邻居，金星也是行星探索的热门目标。美国航空航天巨头诺斯罗普·格鲁曼公司提出的“金星大气操纵平台”为探测金星上的生命迹象提供了一种新的方法。这是一架充气三角翼飞机，在探测过程中可以以110公里/小时的速度飞行。此时，飞机90%的升力来自机翼的空气动力效应，10%来自充气后产生的浮力。晚上，它通常会暂停正常工作，关掉引擎，慢慢下降到离金星表面50公里的地方。在那里，它获得的浮力足以支撑它在空中漂浮，而不需要翼型提供额外的升力。目前，格鲁曼公司正与俄罗斯航天局和美国航天局联系，希望通过这两个国家的太空计划将金星的大气移动平台计划变成现实。