【特邀专栏】志澄观察：火星无人机何时首飞——《空天大视野》选载之六

• 本文选自黄志澄著《空天大视野》（电子工业出版社2015年10月出版）

• 本文由作者黄志澄和电子工业出版社共同授权转载！

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• 《空天大视野》读书会将于11月7日在北京航空航天大学举行，详情见文后！

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。20世纪70年代，美国宇航局（NASA）设想研制可在火星上飞行的高空无人驾驶飞机（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1.5km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1500km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3m（为将来火箭携带方便起见，两翼将能折叠，折叠时两翼宽仅1m），重量不超过3kg。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Ma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千米。

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4kg，巡航速度为每秒60m，航程为100km，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。

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。

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黄志澄《空天大视野》新书交流会

时间：11月7日15:00-17:00

地点：北京航空航天大学新主楼第八报告厅
主办：电子工业出版社

承办：e科网

协办：战略前沿技术

为答谢广大读者的一直以来的支持，通过前沿君报名参加新书交流会，并将本条信息发至朋友圈的前十名读者，将获得由《电子工业出版社》提供的黄志澄老师亲笔签名《空天大视野》一本。

报名请加前沿君微信号（tech9999或至文末扫码），并注明“空天大视野”！

作者简介

黄志澄，空气动力学家、航天技术专家、技术评论家。1937年出生于江苏无锡，1958年毕业于北京航空学院。长期从事空气动力学、航天发展战略研究，为我国大型试验基地建设、载人航天方案论证、新型航天器研制做出了重要贡献。近十年来从事科学、技术与社会（STS）等宏观科学领域研究。著作有《高超声速飞行器空气动力学》、《航天科技与社会第四次浪潮》等。

黄志澄（左二）与钱老的合影

内容选载

内容简介：

黄志澄编著的《空天大视野》从科学技术与社会相互影响的视角，评述了航空航天的过去、现在和未来；论述了空天一体化是历史发展的必然：介绍了空天军事化和空天商业化的最新进展；详细地解读了近年来媒体关注的世界及我国在航空航天领域的热点，包括现代飞机、无人机、近太空飞行器、高超声速飞行器、重型运载火箭、卫星、航天飞机、空天飞机和火星飞行器的发展动向；重点探讨了太空安全、太空探索、太空经济和太空创业的现状和前景。
此书适用于关心航空航天发展的科技人员、社会科学工作者、管理干部、教师、学生、军人和航空航天爱好者。