【科技动态】火星无人机何时才能首飞？

人类在实现有动力飞行之后，人们就不断提问，能否像在地球上一样在火星上使用飞机，为火星探测和科学研究提供帮助？答案是肯定的，但是这一想法要成为现实，却面临重重困难。火星飞机的研发，经历一波三折，至今尚未成为现实。

早在上世纪50年代，航天先驱沃纳•冯•布劳恩，曾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（Mini-Sniffer）。由于它使用的肼发动机,能够在火星的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。

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 Langley中心提出了 “区域性环境航空测量（ARES）”的火星飞机计划。火星飞机将在一个隔热罩的保护下进入火星大气，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，再利用火箭作为动力，以每小时200英里的速度进行采样和测量。到达火星后，ARES将覆盖以前从未探索过的1500千米的区域，飞行2小时，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。ARES计划加入NASA火星探索项目于2011年被发射，不过NASA最终并未将其列入。在这之后，NASA的兴趣转向了火星无人直升机。

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。

为什么研发火星飞机会如此困难？其原因是火星的大气层不同于地球的大气层，它比起地球要薄得多，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），要比地球上的飞行雷诺数小两个量级，因此火星飞机相当于在地面高空飞行的飞机；火星上的声速是地面的2/3，为了获得足够的升力，它最小的巡航M数要高于地面飞机。

火星稀薄的空气，将使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。

另外，如果从地球上对火星飞机进行遥控，通信时延将使指令无法发挥作用，为此，火星飞机必须使用预设程序的自动驾驶仪。火星飞机必须将获得的数据传输给绕火星飞行的轨道器，然后再转发到地球。绕火星飞行的轨道器与火星飞机并不是每时每刻都可以通信，轨道器绕火星飞行一圈，出现在飞机头顶上的时间大概只有20分钟，只有在此期间火星飞机才能与轨道器通信。

当前，日本的宇宙航空研究开发机构（JAXA）正在实施包括着陆器和轨道器在内的无人火星探测器“MELOS( Mars Exploration with Landers and Orbiters)”计划。为此，日本东京大学等联合成立了工作组，与NASA合作开发火星飞机。飞机重4公斤，巡航速度为每秒60米，航程为100公里，其升阻比约为8.7。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Planetary Resources公司，也正在开发能在小行星和火星的卫星上飞行的飞机。那么，火星无人机何时才能首飞？谁将成功它的研制者？

据悉，中国也正在执行一个类似日本“MELOS”的火星探测计划，因此，我们十分期待中国的火星飞机能早日飞翔在火星的上空。

（作者：黄志澄，本文由作者授权发表）

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