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。但如果美国宇航局(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150英里高空的火星轨道飞行器上，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，采用传统的旋翼式，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有太阳能板，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使用火星轨道飞行器，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。

    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。

    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M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。

    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。