來自地球的“大鳥”

張唯誠

自萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)至今，飛機(jī)一直沒有飛出地球大氣層，它們真的只能在地球的上空飛行嗎？能不能在其他行星或者衛(wèi)星的大氣中翱翔？能不能在探索太陽系的宏偉事業(yè)中發(fā)揮它們的優(yōu)勢呢？

其實(shí)，人們早就有利用飛機(jī)探索太陽系的想法。20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們曾設(shè)想將一架飛機(jī)折疊后裝入一個(gè)減速倉中，然后用運(yùn)載火箭將它送入火星的大氣層。進(jìn)入火星大氣層后，再把這架飛機(jī)從減速倉中彈射出來，其攜帶的降落傘自動(dòng)打開，同時(shí)飛機(jī)自身也由折疊狀態(tài)逐漸展開成形，最后啟動(dòng)引擎開始在火星的大氣中飛行。

這個(gè)設(shè)想到20世紀(jì)90年代開始實(shí)施，美國宇航局在一項(xiàng)名為“火星全球勘探者”的計(jì)劃中附有一項(xiàng)利用飛機(jī)考察火星的內(nèi)容。他們原計(jì)劃在2003年的某一天將這個(gè)如大鳥般的飛行物送入火星的大氣層，它的翼展為10米，重達(dá)150千克，機(jī)尾上飛旋的螺旋槳使它能在火星上空自如地飛行。這架美麗的火星飛機(jī)被命名為“基蒂霍克”號?；倩艨耸莻€(gè)地名，位于美國北卡羅來納州，是萊特兄弟的故鄉(xiāng)，而2003年又正值萊特兄弟實(shí)現(xiàn)人類駕機(jī)飛行100周年?？茖W(xué)家們希望用“基蒂霍克”號的火星之行來紀(jì)念這個(gè)日子，并宣布火星飛行“基蒂霍克”號開辟了人類飛行史的新時(shí)代。

然而不幸的是，1999年，美國宇航局連續(xù)損失了兩艘火星航天器，火星飛機(jī)的升空計(jì)劃也被迫停頓。

火星直升機(jī)

盡管“基蒂霍克”號計(jì)劃沒有得到實(shí)施，但有關(guān)火星飛機(jī)的研究卻并沒有因此中斷。在人們策劃的行星探測活動(dòng)中，火星飛機(jī)依然是科學(xué)家們予以考慮的重要部分。2015年，美國宇航局公布了一項(xiàng)名為“火星直升機(jī)”的項(xiàng)目，這是一個(gè)配合未來火星車探測火星的“附屬項(xiàng)目”，其目的是幫助火星車快速有效地勘測地形，為火星車選擇最理想、最安全的路徑，從而提升火星車的行走效率。

“火星直升機(jī)”的主體看起來像一個(gè)中等大小的紙巾盒，重達(dá)1千克，頂上裝有螺旋旋翼和太陽能電池，旋翼展開約1.1米。這種飛機(jī)在白天每次只飛行2至3分鐘?？茖W(xué)家們認(rèn)為，“火星直升機(jī)”是一個(gè)全新的探測工具，將它與火星車結(jié)合起來能夠取得更好的探測效果，比如它比火星車的探測面更廣，機(jī)動(dòng)能力更強(qiáng)，可以探測火星車無法抵達(dá)的區(qū)域。此外，火星直升機(jī)也擔(dān)任中繼通信的任務(wù)，成為火星車與地球之間的中繼平臺。如果火星直升機(jī)部署到位，人們就可以收集到更多關(guān)于火星大氣和地質(zhì)方面的科學(xué)數(shù)據(jù)。

然而，由于火星的大氣密度很低，在火星上飛行面臨極大挑戰(zhàn)，所以和地球上的直升機(jī)相比，“火星直升機(jī)”的旋翼更大，轉(zhuǎn)速更快，還要盡可能減輕飛機(jī)自重和荷載，否則就飛不起來。好在火星的引力相對于地球也更小，在一定程度上緩解了飛行的困難。

“火星直升機(jī)”將隨同即將于2020年啟程的NASA新一代火星車“火星2020”前往火星。如果成功，我們將在不久的將來看到由這種“火星直升機(jī)”拍攝的精彩圖像。

從火星到金星

與此同時(shí)，一款名為ARES的火星飛機(jī)也進(jìn)入了人們的視野，它能在火星的山區(qū)上空進(jìn)行有效的探測，這種地方大多處于火星南半球，是火星車難以施展本領(lǐng)的地方。當(dāng)ARES抵達(dá)了火星上空后，將會(huì)同火星車一起離開母船，搭載降落傘向火星表面降落。下降到一定的高度后，火星飛機(jī)展開機(jī)翼和尾翼，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，脫離降落傘，開始自主地展翅飛翔。這種飛機(jī)的探測效率很高，它能快速飛掠火星表面的大片區(qū)域，執(zhí)行包括采樣、找水、測量在內(nèi)的多項(xiàng)任務(wù)，是未來探測火星的一種全新手段。

但在火星上飛行并不像在地球上那么輕松，相比較而言，在金星上飛行就容易得多了。金星有濃密的大氣，氣壓與地球相差無幾，質(zhì)量為地球的4/5，這些條件使金星在很多方面相似于地球。金星稠密的大氣，使金星飛機(jī)可以裝備較小的機(jī)翼。金星的太陽輻射流非常強(qiáng)烈，且自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間相當(dāng)于地球的243天，這對金星飛機(jī)也極為有利，它因此可以獲得充足的太陽能并長時(shí)間停留在白天，從而免去儲(chǔ)存能量的麻煩。這些有利條件為科學(xué)家研制金星飛機(jī)帶來了不少便利。

多年前，科學(xué)家就曾設(shè)計(jì)過一種可折疊的金星飛機(jī)，它從地球上發(fā)射時(shí)，機(jī)身和機(jī)翼折疊著，進(jìn)入了金星的大氣層后，就展開成一架可以飛行的飛機(jī)。其翼長達(dá)9米，上面的太陽能電池板為其提供充足的能源。在低空探測的時(shí)候，這種飛機(jī)可連續(xù)滑行幾個(gè)小時(shí)，然后重新爬向高空。用這種方法，金星飛機(jī)可獲取金星上不同高度的云層和大氣中的各種數(shù)據(jù)。

開創(chuàng)太陽系探索的新局面

與此同時(shí)，科學(xué)家們還設(shè)計(jì)了一種更加先進(jìn)的金星飛機(jī)，它屬于“半無人機(jī)半飛艇”形式。這個(gè)由諾斯羅普·格魯曼公司設(shè)計(jì)的機(jī)型名為“金星大氣機(jī)動(dòng)平臺”（VAMP），是一種混合動(dòng)力飛行器，其動(dòng)力包括太陽能和核能，采用三角飛翼，翼展為55米。雖然比以前設(shè)計(jì)的金星飛機(jī)大多了，但它是充氣的，重量很輕，變形能力很強(qiáng)，所以普通的火箭就能將它送入金星軌道。入軌后，這個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)充氣展開，施行減速，進(jìn)入金星大氣層，并“變形”成一架前方帶有2個(gè)螺旋槳的金星飛機(jī)。這種金星飛機(jī)白天使用太陽能進(jìn)行工作，晚上則使用攜帶的核電池所提供的核能，借助浮力在50～70千米的高度上漂浮。

根據(jù)設(shè)計(jì)，這只來自地球的“大鳥”，將攜帶20千克的科學(xué)載荷在金星的上空展翅飛翔一年之久?？茖W(xué)家們認(rèn)為，現(xiàn)代金星的大氣組成與古代金星大規(guī)模的火山噴發(fā)史有著密切的關(guān)系。由于金星大氣的組成主要是二氧化碳，其云層的主要成分是硫磺酸，所以科學(xué)家們打算讓金星飛機(jī)在金星的大氣中檢測硫磺的含量，揭示這種物質(zhì)與金星獨(dú)特地貌之間的聯(lián)系。金星飛機(jī)上的儀器還可以確定金星大氣中其他各類成分和同位素的比率，幫助科學(xué)家研究金星大氣的演化史，揭示金星環(huán)境的演變過程。此外，它還要對金星大氣輻射、空氣動(dòng)力、化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行研究，以及對金星表面進(jìn)行遙測。這一系列任務(wù)，將為人類研究金星提供前所未有的第一手信息。

除火星和金星外，人們還將用無人機(jī)探索遙遠(yuǎn)的太陽系中的其他天體。用無人機(jī)探測太陽系將成為未來太陽系探索的新趨勢，為太陽系的探索打開全新的局面。