探測火星為何要用直升機?
2019年04月10日04:05

原標題:探測火星為何要用直升機?

探測火星為何要用直升機?

李會超

新聞背景

由美國國家航空航天局設計製造的一艘名叫“火星2020”的火星車,將在2020年7月啟程奔赴火星,對火星上的環境與地質過程進行更深入的探測,探尋火星上現在或曾經是否有可能存在生命。

“火星2020”還有另一項任務:它將攜帶一架被稱為“火星偵查直升機”的航空器,試驗這種航空器在火星上飛行的實際效果,為今後使用航空器在其他行星開展探測進行先鋒式的技術驗證。上個月,這架火星直升機剛剛在NASA噴氣動力實驗室中完成了在地球上的模擬飛行測試,為前往火星的實戰做好了準備。

航空器探測優勢獨特

目前,對行星的探測手段主要有環繞探測、原位探測和巡視探測三種。環繞探測,主要通過運行在環繞火星、金星等其他行星的軌道上的航天器,利用遙感探測的手段來完成。遙感探測,通俗講就是利用各種科學探測儀器在太空中給行星拍“照片”,但這些“照片”不只包含了行星表面的圖像信息,一般還有光譜、高程等更為豐富的信息,能夠反映行星表面的大氣與礦物成分和地形起伏等特徵。而原位探測則是利用在行星表面著陸的探測器,對探測器所在位置的岩石、大氣或生物信息開展探測。巡視探測同樣是在行星表面進行,但由於是由火星車這類可以移動的巡視器進行,因此探測範圍能比原位探測有所擴展。

對於火星探測來說,環繞探測可以使我們獲得有關火星較為全面的信息,而原位和巡視探測則能夠使我們獲得更為精細的信息,在這幾種探測手段的相互配合下,科學家們已經對火星有了一定的瞭解。然而,由於實施環繞探測的探測器距火星表面的距離一般都在幾百公里以上,不容易將火星表面的細節觀察得特別清晰。同時,衛星對某一地點進行一次觀測後,受運行軌道的限製,必須間隔很長時間後才會對該地點進行再次觀測,難以對一些變化較快的現象進行連續觀測。而原位探測和巡視探測的精細程度雖然較高,但原位探測僅能在著陸點展開,火星車等巡視器的行走範圍也相當有限。以前不久剛剛結束工作的“機遇號”火星車為例,它在14年的工作過程中總共僅移動了45公里,相對於火星兩萬多公里的周長來說顯得微不足道。

為了在連續探測時間、探測範圍和探測精度這三個因素間達到更好的平衡,科學家們萌生了使用固定翼飛機或直升飛機這些在大氣層中飛行的航空器,對火星開展探測的想法。由於航空器的飛行高度較低,因此只需搭載重量不大的探測載荷就能實現精度較高的遙感探測。同時,航空器在空中的移動速度比巡視器快得多,能在短時間內完成對一片區域的全面探測,並能在短時間內重訪有重要現象發生的區域,對其進行連續監測。航空器的探測受地形影響較少,能夠到達巡視器所無法到達的區域,並在那裡著陸進行原位探測,因此探測任務的規劃可以相當靈活。最後,航空器還可以充當“偵察兵”的角色,對巡視器前方的地形地貌和可能發生的現象進行先行探測,為科學家們決定巡視器下一步朝哪個方向移動提供關鍵數據。

“火星偵查直升機”將初試牛刀

“火星偵查直升機”是使用航空器進行行星探測的第一次嚐試,由美國國家航空航天局下屬的噴氣動力實驗室研發設計。這是一台重量僅有1.8千克的小型飛行器,頂部旋翼的直徑僅有1.2米,和我們一般概念中在地球上飛行的直升機相比,它的個頭要小很多。它採用共軸式雙旋翼設計,兩個旋翼旋轉產生的力矩可以相互抵消,因此無需像地球上的一些直升機一樣安裝尾槳。由於火星的內稟磁場較弱,不存在規則的南北向磁場,因此火星直升機在飛行過程中無法像地球上一樣,使用磁場為自己指示方向。同時,火星附近現在還沒有部署類似於GPS的衛星導航網絡。為了在這種情況下飛行器仍能夠自主導航,噴氣動力實驗室的科學家們為它設計了利用太陽所在位置和陀螺儀信號進行導航的方案。此外,火星直升機上安裝的一台高解像度相機,也能通過拍攝火星表面影像的方式幫助它選定合適的飛行路線和著陸地點。

直升機能夠升空飛行,靠的是旋翼在旋轉過程中與空氣相互作用產生的升力。火星大氣的密度僅相當於地球大氣的1%,且主要成分是二氧化碳。火星表面的大氣密度約等於地球上三萬米高空的大氣密度。因此,在火星飛行的航空器與火星大氣相互作用的情況,與地球上的飛行器將有很大不同。為了更真實地模擬火星環境,科學家們為火星直升機研發了一個特別的模擬裝置。在進行測試時,這個裝置首先抽走內部的空氣,使其處於接近真空的狀態。之後,再注入與火星大氣成分相同的氣體,使裝置內部的氣體密度和氣壓與火星表面基本相當。同時,火星上的重力加速度僅為3.7m/s2,遠低於地球的9.8m/s2,因此同樣質量的物體在火星上受到的重力將比地球上小很多。為了在地球上模擬火星上所受到的重力,這個裝置還用一個連接到直升機頂部的機動吊繩提供拉力,抵消一部分重力作用。

按照計劃,火星直升機的飛行將在“火星2020”探測器在火星著陸之後的第60至第90火星日(1火星日的平均長度約為24小時37分鍾)展開。在第一次的飛行中,它將僅僅爬升到距離地面3米的位置,懸停時間也不過30秒,與萊特兄弟進行的人類在地球上的首次航空飛行頗有幾分相似。不過,在之後的30天中,火星直升機還將進行4次飛行,每次飛行的距離和持續時間會不斷增加,最終實現數百米距離的飛行和持續90秒的懸停。為了保證安全,飛行測試將在距離“火星2020”火星車100米的範圍之外進行,以防因意外墜落砸傷火星車。而為了保持與火星車之間的通信聯絡,火星直升機也不會到距離火星車1公裡外的範圍活動。

多種多樣的行星和衛星探測航空器

如果火星直升機的飛行測試一切正常,將會對行星探測中航空器的使用產生巨大的推動。目前,除了已經完成設計製造的火星直升機外,科學家們還提出了不少使用航空器進行行星和衛星探測的方案。

美國國家航空航天局所屬的蘭利研究中心提出的“區域環境普查航空器”,是一種對火星的大氣和磁場開展探測的航空器。和火星直升機所不同的是,這種航空器是一種固定翼的飛行器,外觀與地球上的固定翼飛機有些相似。固定翼飛行器需要借助發動機輸出的推力增加速度,使飛機機翼上產生足夠的升力。這種航空器沒有採用地球上飛機常用的噴氣式或螺旋槳式發動機,而是計劃採用火箭發動機,每次飛行可持續一個小時左右。從地球發射時,它被摺疊在一個有熱防護罩的外殼中,在到達火星並進入火星大氣層後,它將會在適當的高度將自己從防護罩中展開,進入飛行狀態。不過,這個方案目前還只是一種技術儲備方案。

美國約翰·霍普金斯應用物理實驗室提出的“蜻蜓號”方案,則把探測目標鎖定在了土星的衛星“泰坦”上。已有的探測數據表明,“泰坦”含有多種成分複雜的含碳化合物。“泰坦”表面還富含水冰,內部可能有液態水構成的海洋,是孕育生命誕生的理想場所。對“泰坦”進行各類生命跡象的探測,很可能有令人驚奇的發現。“蜻蜓號”和火星直升機一樣,也是可以垂直起飛、降落的航空探測器,其產生升力的裝置為四組小型共軸雙旋翼,外觀和我們常見的航拍無人機比較接近。由於能夠垂直起降、飛行,這種探測器可以在不同地貌特徵的探測點,進行碳水化合物成分的探測工作,幫助科學家們發現瞭解這顆衛星上可能存在的生命。這種探測器的飛行高度可達4千米,飛行速度可達36千米/小時。目前,“蜻蜓號”處於方案預先研究的階段,美國國家航空航天局將在今年7月決定是否將其“轉正”,成為進入實施階段的科學探測任務。

作為地球的另一個近鄰,金星也是行星探測的熱點目標。美國宇航工業巨頭諾斯羅普·格魯曼公司提出的“金星大氣機動平台”方案,為探測金星上的生命跡象提供了新的方式。這是一種充氣式的三角翼飛行器,在進行探測工作時,能以110千米/小時的速度飛行。此時,飛行器90%的升力來自於翼面的空氣動力學效應,10%則來自於充氣後產生的浮力。而在夜間,它一般會暫停正常工作,關閉發動機,使自身徐徐下降到距離金星表面50千米的地方。在那裡,它所受到的浮力足以支撐它漂浮在天空中,無需翼面提供額外的升力。目前,格魯曼公司正在與俄羅斯航天部門和美國國家航空航天局同時保持接觸,希望能通過這兩個國家的航天項目,將金星大氣機動平台的方案變成現實。

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