火星无人机

　　“火星之鹰”何时才能展翅翱翔

　　一百多年前，莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，圆了人类飞翔的梦想。其后一百多年里，人类自己驾驶飞机或使用无人飞机，在地球广袤的大气空间里往来穿梭，完成着各种各样的任务。随着对火星认识的不断增加，人们知道了这颗红色的星球是迄今为止人类发现的与地球最为相象的一个天体。好奇的人们不禁会问，人类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还面临着诸多困难，火星飞机的研发工作也可谓一波三折。

　　早在上个世纪50年代，科利尔（COLLIER'S）杂志曾刊登太空先驱者们的一系列文章。这些文章配有场面壮观的插图，因此深受广大群众喜爱，有些画面时至今日仍然能够给人以耳目一新的感觉。沃纳•冯•布劳恩是这些太空先驱者中最卓越的一位，他曾为人们勾勒了一幅有着又长又大的机翼的飞行器降落在火星的场景。

　　但这一切构想后来被证明是过于乐观了。上世纪60年代人类派往火星的太空探测器传回来的消息表明，火星的大气密度仅是人类以前预想的十分之一，不足地球海平面大气密度的百分之一，换言之，火星地表的大气密度只相当于地球表面上空21公里处的大气密度。好在火星的地心引力仅为地球地心引力的三分之一，尽管如此，建造出能够在这样稀薄的空气中飞行的火星飞机也不是一件容易的事。

　　70年代，高空无人驾驶飞机－（Mini-Sniffer）的发明为火星飞机的研发提供了一个可行的思路。Mini-Sniffer使用肼发动机，这种发动机能够在火星稀薄的以二氧化碳为主的空气中工作。1976年，“海盗号”飞船登陆火星，激发起人类探索火星的巨大热情。1978年，美国航空航天局火星研究所同被称为“Mini-Sniffer之父”的戴尔•里德取得了联系，并同他讨论了研制火星飞机的可能性。

　　当时的美国航空航天局对火星飞机计划雄心勃勃，制定了宏大的发展战略和长远的建设计划，那时提出的一些火星飞机的概念独具匠心，给人留下了深刻的印象。其中最大的一个概念火星飞机翼展可达21米，总重量达545公斤。它的尾部呈倒V型，这种结构在接下来的几十年中，被借鉴用于在地球上飞翔的无人飞机的构造中。概念中的火星飞机必须能够折叠，从地球上出发前，人们把火星飞机折叠后装入一个减速仓中。这个减速仓就像一个比较钝的锥体，表面覆有一层隔热材料，在高速进入火星大气层时，减速仓能够保护火星飞机不受高温损坏。一旦减速仓进入火星大气层，火星飞机就会从减速仓中弹射出来，飞机上携带的降落伞自动打开，降低飞机的下降速度。在下降的过程中，火星飞机会由折叠状态逐渐打开，然后启动引擎开始飞行。

　　在初始的设计中，当火星飞机在无法继续在火星上飞行的时候，它将会以撞击火星的形式完成其使命，但是参与飞机设计研制的火星研究专家们建议，应该使火星飞机的传感器始终保持有效的工作状态，即便是火星飞机因燃料耗尽而坠落。更好的期望是飞机能够在火星安全降落并能够再次顺利地起飞，那样的话飞机就可以在火星上起起落落、四处游弋，执行各种探测任务，着陆采集火星物质样品，或者只是原地待命，然后再次起飞到别的地方去执行任务。

　　火星飞机研究项目计划向火星派遣12架飞机。为此需要发射三个航天器，每个航天器载有一个在“海盗号”火星登陆车基础上研制出来的减速仓，每个这样的减速仓内携带4架火星飞机。这些飞机的设计最大航程可达5600公里，由这些飞机组成的飞行编队可以对火星表面进行大面积的详细勘察。

　　但由于太过超前，这项计划后来一直只能是停留在纸上。80年代，美国航空航天局不得不放弃了火星飞机计划，美国的行星研究计划遭遇了严冬。然而，适用于火星飞机计划的有人驾驶航空器技术和高空飞行技术方面的研究却并未中断。

　　1992年，美国航空航天局为了发展低成本太空探测提出了“发现”计划，为停滞不前的行星研究项目注入了活力。“发现”计划早期就曾包括一个火星飞机相关计划。这一火星飞机计划由约翰•朗福德提出，他掌管着奥罗拉飞行科学研究所，建造了用于高空研究的第一代ERAST无人飞机。

　　拉里•莱姆克提出了另外一项计划，他是一位火星飞机研究方面的资深专家，20世纪70年代曾参加美国航空航天局的火星飞机研究活动。莱姆克设计的火星飞机是美国航空航天局在70年代设计的一款大型火星飞机的改进版或叫瘦身版，有180公斤重。它可以从一处到另一处进行短距离运动，在各地进行拍照、获取火星表面物质样品等活动。这一时期还出现了其它一些有关火星飞机的计划。美国航空航天局提议开展一项名为MAGE的飞行机翼研究项目，由美国航空航天局喷气推进实验室（JPL）组成研究团队负责项目的具体实施。AeroVironment公司和其它一些公司则提出了沿着火星上的巨大的Vallis Marineris峡谷投放六架滑翔机的方案。

　　事实上美国航空航天局并没有在火星飞机研究项目上倾尽全力，至少它没有立即把计划付诸实施。埃德加•乔纳里是普林斯顿大学的一位物理学家，他一直在为火星计划能够继续下去而奔走。乔纳里想到，2003年的火星探测时间窗口，将恰逢莱特兄弟1903年的人类首次飞行百年纪念。于是他把这一发现告诉了洛克希德•马丁公司前总裁诺曼•奥古斯汀，奥古斯汀又把这一发现转告了美国国家航空航天局主管丹尼尔S•戈尔丁，并说服他接受这一概念。1999年初，戈尔丁宣布美国航空航天局计划派遣一个小型遥控航空器去火星，并计划于2003年12月17日到达火星，以纪念一百年前由莱特兄弟发明的飞机进行的首次飞行。

　　火星飞机研究活动的开展受益于美国航空航天局与法国空间机构CNES的合作，它是一个名为“火星微型任务”中一系列低成本实验中的一个。从一定意义上说，火星飞机研究项目可以把美国航空航天局的航空研究部分与空间研究部分拉在一起工作。但是要把这二者结合在一起并不容易，在职责分工等方面双方存在分歧。经过一番争论，美国航空航天局的兰利研究中心最终被指定来负责研制火星飞机，为计划于2002年11月进行的发射做准备。

　　这些火星飞机将搭乘法国“阿丽亚娜”五型火箭进入太空。“阿丽亚娜”火箭把通信卫星或其它有效载荷送入地球轨道后，会长途跋涉前往火星，再把一个载有火星飞机的微型航天器继续送入太空深处，让它在火星的一个长椭圆轨道上运行，当运行到近火星点时，微型航天器开始进入火星大气层。

　　由于受体形限制，装载火星飞机的微型航天器内只能容纳一个直径不超过76厘米的减速仓，这意味着即便是一只很小的火星飞机也必须得折叠起来才能装入。由于火星上稀薄的空气不能给火星飞机提供足够的力量，要打开折叠的飞机必须依靠弹簧装置来完成，这无形中增加了火星飞机的重量和复杂性。

　　美国航空航天局兰利研究中心对有意参与合作的各个公司提出条件，要求它们承诺于1999年9月完成火星飞机的制造。在这一要求中兰利研究中心对火星飞机的通用技术条件－即火星飞机需要做什么进行了描述，但是要求中并没有明确该怎样来达成这些功能。兰利研究中心对他们自己可能的计划需求进行了深入研究，这样他们就可以在向承包商交待一些注意事项时能够做到胸有成竹。兰利研究中心提出了一系列设计方案，主要关注肼推进剂喷气飞机。设计师们认为，使用肼火箭推进器比使用肼动力螺旋桨推进器要简单而可靠。在这些方案中，一些方案建议研制直翼式飞机，另一些方案则建议研制掠翼式飞机。

　　所有这些设计方案都必须认真考虑火星稀薄的大气带来的困难，稀薄的空气将使火星飞机无法轻易地获得正常飞行所需要的足够的气动升力。例如，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。即便是在这个时候，它仍然缺乏良好的机动性，例如在转弯时，它将不得不兜一个大大的圈子，转弯的半径甚至可达好几公里。

　　火星和地球相距遥远，如果从地球上对火星飞机进行遥控，通信时延过大将使指令无法发挥作用，为此，火星飞机必须使用一个安装了预设程序的自动驾驶仪。除此之外，火星飞机还可承载两公斤重的科学考察专用载荷，包括观察地形用的照相机，测量磁场用的磁力计，和对物质进行分析的小型分光计等。火星飞机不能处理和保存它通过考察获得的数据，必须将获得的数据传输给绕火星飞行的航天器，航天器对数据信息进行储存，然后再转发到地球。绕火星飞行的航天器与火星飞机并不是每时每刻都可以通信，航天器绕火星飞行一圈，出现在飞机头顶上的时间大概有20分钟，只有在此期间火星飞机才能与航天器通信。因此，火星飞机在航天器没有光顾期间，它只能做待机飞行，因为它采集的数据无法保存下来。

　　1999年，美国航空航天局接连损失了两艘火星航天器，这迫使它对火星探测的努力进行重新考虑，火星飞机方面的工作因此被迫中断。然而，火星飞机项目的支持者们并没有灰心丧气，戴尔•里德说：“如果我们举措得当，再过15年到20年，当我们的宇航员到达火星的时候，我们应该能够为他们提供一架双座飞机。这就是我们全部工作的奋斗目标。”

　　一些参与火星飞机研究的公司仍在继续它们的研究工作，尽管目前还处在一个较低的水平上。美国航空航天局正在考虑实施代号为“Scout”的一系列低成本的行星际考察活动，其中有一项计划－“地区性环境航空测量”（ARES）与火星飞机有关。这项计划由美国航空航天局兰利研究中心和奥罗拉飞行科学研究所共同承担，是兰利研究中心早期工作的一个继续。兰利研究中心已经研制出火星飞机的仿真模型，仿真模型的大小尺寸为原型设计规格的50%，代号为“火星之鹰”。2002年秋季，兰利研究中心对“火星之鹰”进行了测试。

　　来源：美国航天局

　　编译：知远/柳川