“機智”號完成火星飛行難在哪

“機智”號無人直升機19日完成了它在火星上的首次飛行，這是人造航空器首次在地球以外的星球上飛行。對於這一全球矚目的事件，上海航天和天文專家認爲，“機智”號的受控飛行有很多技術難點，這一“人類史上首次”的主要意義在於技術驗證，即證明人類現有技術能讓航空器在火星稀薄的大氣中飛起來。至於它的應用價值和對中國火星探測的借鑑意義，現在談還爲時尚早。

高轉速智能直升機

從火星傳回地球的數據顯示，“機智”號在垂直上升到離地面約3米高度後，完成了懸停、下降、着陸等所有動作。這架直升機2月18日搭乘“毅力”號火星車登陸火星，有4片旋翼，重約1.8公斤，其鋰電池由太陽能電池板供電。

上海市天文學會副秘書長、上海天文館展示教育主管施韡介紹，火星的大氣壓強只有地球的1%，這意味着航空器在火星表面起飛，相當於在地球上的3萬多米高空飛行。要知道，迄今還沒有一架直升機在這個高度飛行過。美國航天局（NASA）讓直升機在火星上飛行，其難度可想而知。爲此，科研團隊將“機智”號的重量壓得很低，採用共軸雙旋翼設計，旋翼長度爲1.2米，最高轉速約2400轉/分鐘。轉速如此之高，是爲了確保直升機在火星稀薄的大氣中飛起來，這就需要電池功率達到350瓦。“這個轉速是經過精心設計的，轉速要拉得動小型直升機，但也不能太高，如果超過火星上的音速，會造成旋翼的振動。”施韡說。

智能化飛行也是“機智”號的一大技術難點。上海宇航系統工程研究所技術顧問陶建中研究員說，火星與地球相距遙遠，一個信息來回就需要8—20分鐘，所以“機智”號必須自主控制、自主導航。在研發過程中，科學家模擬火星環境建造了一個密封的圓筒狀實驗室，它高26米，直徑爲7.62米，裡面充滿了二氧化碳來模擬火星大氣密度。爲模擬火星引力，實驗室的頂端裝有吊掛，能把航空器三分之二的重量消解掉。“機智”號在這個實驗室裡自主飛行了75分鐘，這才搭上了前往火星的航程。

未來應用面臨巨大挑戰

除了飛行本身，讓航空器在火星執行任務還面臨一系列挑戰。比如，火星白天的日照時間只有地球的一半，夜間溫度則低至零下90攝氏度左右，這對電池來說堪稱災難。白天和夜間的巨大溫差，也會給直升機旋翼帶來形變的風險。“可以說，‘機智’號的首飛成功，是應對綜合性挑戰的成果。”施韡說。

他列出了這架直升機已經歷的12個關鍵節點：在“毅力”號火星車發射、巡航、着陸等過程中完好無損；“毅力”號車腹部保護罩脫離後，藏身於此的“機智”號被安全部署到火星表面；確認與“毅力”號的通信鏈路；在零下90攝氏度左右的夜晚自動保暖；通過太陽能電池板自動充電；確認能源和電力模型，監測每天的耗電量和電池水平；解鎖旋翼；首次在火星上轉動旋翼，速度低於飛行所需的速度，留在火星表面；首次全速轉動旋翼，留在火星表面；首次在稀薄的火星大氣中起飛；自主飛行；成功降落。

“機智”號的造價爲8500萬美元，儘管看上去只有玩具般大小，但其展示的新技術驗證了火星探測可以利用飛機的可能性。陶建中表示，與只能直上直下的火箭相比，飛機在探測時可以避開火星上的高山、深溝等崎嶇不平的地貌。

在施韡看來，火星探測小型航空器的應用前景還比較模糊。要知道，“機智”號是不帶載荷的，它的任務就是開展在火星上飛行的技術驗證。未來，美國航天局如果讓火星航空器帶上載荷，就會增加它的重量，這又是一個很大挑戰。“我覺得在火星表面放飛無人機，不是中國火星探測現階段要考慮的問題，因爲它的實用價值不大、造價不菲，性價比不高。”與美國相比，我國開展深空探測起步較晚，在“玩無人機”前，還有很多更重要的基礎工作要做，如提高火箭運載能力、增加探測器的載荷等。