黄志澄：火星航空器何时才能首飞

火星航空器何时才能首飞

远望智库特约研究员 黄志澄

本文刊载于《太空探索》2016年第8期

    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航空器，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。火星航空器的研发，经历一波三折，至今尚未成为现实。

本文说的航空器，包括飞机、直升机和浮空器等。后者在火星上使用面临许多结构和控制问题，航天界讨论不多。本文重点介绍火星飞机和火星直升机。它们和地球从有人到无人的发展路径不同，将会走从无人到有人的发展道路。

发展火星飞机困难重重

    目前，对于火星的探测，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，需要发展能够介于这两者中间的无人机。特别是火星南半球为多山区域，目前观测数较据少，并有很强的地壳磁场，更需用无人机进行观测。这种火星无人机的技术，未来也可用于观测金星、土星和木星及它们的卫星。

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（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。为什么研发火星航空器会如此困难？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），要比地球上飞机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，它最小的巡航马赫数要高于地面飞机。

    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。

    在火星飞机进入火星大气层时，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，将飞机从壳体内释放出来。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。

    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，出现在火星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。

 研制火星无人机之路

    1999年初，美国宇航局（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。其最早提出的火星无人机方案的总质量为175公斤，巡航马赫数为0.65。最大续航时间为60-70分，续航距离为500-600公里。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200英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。这种火星无人机是根据传统的空气动力学原理来设计的，升力系数为0.5-0.7。机翼翼展6.6米，由3个分段件组成，独特设计的后尾翼呈倒V字形，可以同时用作方向舵和水平安定面。NASA Langley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，成功进行了一次名叫“火星鹰”的缩比50%的模型飞机在地球高空的飞行试验。试验时，飞机的机尾和机翼折叠了起来，被高空气球从30000米高空释放出来后，然后打开机尾降落伞，机头朝下对着地面，然后展开左翼和右翼。机翼展开时，翼上的特殊设备可减轻伸展时的振动，保障飞机安全。机尾和机翼完全展开后，降落伞收起，飞机从自由落体状态转入平行飞行状态。飞机由自动驾驶仪控制飞行。在一个半小时的飞行中，充分展示了其良好的飞行性能。由于火星上的引力大约为大地引力的38%，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 Langley中心仍为争取下一次飞行机会作准备。

    2015年7月6，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（Preliminary Research Aerodynamic Design to Land on Mars， Prandtl-m）”的飞机是一个飞翼式飞机，它由NASA Ames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(CubeSat)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，它三维各4英寸，3U是指三个这样的卫星堆叠在一起。这架飞机将成为从外罩里弹射出的配重的一部分，外罩将携带火星漫游车到达火星。飞机可以在火星大气层里飞行，滑行和着陆。它可以飞越某些未来提议的航天员着陆地点，并向地球发回非常细节的高分辨率地形图像的照片，从而告诉科学家们这些着陆点是否适合着陆。

    Prandtl-m进入火星大气层，将被释放，它的飞行时间大约为10分钟。航空器将在离火星表面610米的高度飞行，飞行范围大约为32公里。实际飞机的翼展约为0.61米。考虑到火星的引力只有地球的38%，飞机在地球上的重量设计为1.16公斤，就相当于在火星上的重量为0.445公斤。它将用复合材料制造。它计划于今年晚期在地面上由高空气球将其升空。并在30公里的高空释放，以模拟火星大气层的飞行环境。这项试验用来证实这架飞机将如何工作，以便对它进行改进，

    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（Mars Aerial Nuclear Global Landing Explorer, MANGLE）”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。

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。

    自从2013年7月以来，“好奇号Curiosity”火星车在火星表面，行驶了大约7.3公里，平均为每月行驶约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(Mars Helicopter)。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(HiRISE Camera) ”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。

    在一段介绍火星直升机的《疯狂工程》视频中，JPL的机械工程师麦克•米汗(Mike Meecham)说：“直升机之所以能够起飞，是借助它的旋翼在一定密度大气中产生的升力。如果空气的密度过低，要么你提升旋翼的转速，要么加大旋翼面积，再或者就是减小自身重量，否则直升机将难以飞起来。”在这段视频中，JPL的机器人专家鲍勃•巴拉兰姆(Bob Balaram)博士指出：“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。最后一点，它必须能够适应火星上的极端环境条件。”

   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。根据喷气推进实验室的计算，直升机的旋翼系统的功率，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。此外，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地走向现实。

火星直升机的前景

    目前，JPL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。

    另一方面，NASA 正在研制能够在其它星球上勘探资源和寻找居所的名为“终端进入航空器（Extreme Access Flyers）的四轴航空器。其原型机正在Swamp Works实验室进行试制。它将使用燃气喷气发动机，替代了传统四轴航空器的桨叶，从而能够在极其稀薄甚至是没有空气的环境下飞行。这类航空器可用于寻找星球上的水、冰和其它资源，采集少量的土壤样本等任务，并将采集物带回到火星车上做进一步的分析工作。这些资源可能位于很难抵达的地方，例如在陨石坑内，当坑壁倾斜度很大时，火星车根本无法攀爬进行勘探。

    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，据悉，NASA正在研究开发大型载人火星直升机的可行性。NASA的Ames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，因此，在火星上直升机的最大航速要低于地球。由于火星的大气远比地球大气稀薄，在升力受限时，只能从减轻结构重量着手，从而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。

结束语

    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。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（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合作开发火星无人机。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航空器。

    火星航空器何时才能首飞？谁将成为它的研制者？估计美国可能2020年之后可以实现首飞。据悉，中国也有许多学者正在进行火星航空器的研究，假若能得到大力支持，中国的火星航空器能否超越美国首先飞翔在火星的天空？

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