美國為啥帶個直升機上火星，氣球它不香嗎？

2020-07-26 老粥科普

2020年7月的天空很熱鬧，先是中東土豪阿聯借著日本火箭向火星射了一枚探測器，中國緊跟著就用長徵五號將「天問一號」衛星探測器送上了徵途；七月底八月初，美國也要向火星發射一個探測器，這個起名「毅力號」的火星車乍看起來有點像「好奇號」，不同的是它上面搭載了新的設備，還捎帶了一架小小的直升飛機。

美國為啥帶個直升機上火星，氣球它不香嗎？

毅力號火星車與直升機

火星2020

大家都知道，每隔大約26個月，科學家們都將迎來一個火星的發射窗口。因為這個時候地球跟火星的距離越來越近，向火星發射探測器可以少跑很多路，自然也更省時間更省油。

美國「火星2020」探索計劃自2012年開始，計劃最主要的部分是「毅力號」火星車。以「好奇號」火星車為藍本，「毅力號」更先進，功能也更加全面，可以說這是迄今為止最為精密也最先進的人造機器人。

「毅力號」火星車最主要的任務是尋找遠古時期火星可能存在的生命痕跡，以及支持生命物質存在的地質證據。為此，科學家們精心選擇了火星赤道以北一個巨大的撞擊盆地Isidis Planitia作為著陸區，根據之前遙測信息表明這裡在遙遠的過去可能是一片綠洲。在大約30~40億前前，那裡曾經有一條河流以及巨大湖泊，如果火星有生命，這裡的碳酸鹽礦物以及黏土沉積物上有可能發現一些東西。

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毅力號的主要任務是尋找火星生命的證據

「毅力號」比之前的「好奇號」更大，它的底盤長度超過3米，質量也達到1050千克。火星車上密布十幾臺攝像機、各種探測設備以及分析儀器，一條長達2.1米的機械臂可以靈活地抓取物品，以方便在火星地表提取樣本。

科學家們還在火星車底盤的下面固定了一架旋翼直升機，這是人類第一次將可操控的飛行器送上外星球。

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火星車底盤下方的盒子裡裝著直升機

火星直升機

火星直升機被摺疊安裝在「毅力號」火星車的底部。如果火星車能順利在火星表面著陸，它會找一塊平坦的地方拋掉保護罩、將直升機翻轉、解鎖，並部署到火星地表上。部署完成後，火星車會駛離，地面控制人員再通過火星車遙控直升機起飛。

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無人直升機在火星表面想像圖

你也許會說，這不就是一架普通的無人機麼？確實，與科技感滿滿的火星車相比，這架小飛機實在是有點其貌不揚。但為了研製這臺簡單的小飛機，NASA噴氣推進實驗室的一個科學家團隊整整搞了6年。

在地球上，旋翼無人機已經成為玩具，在孩子們的操控下自如地飛行。但這樣的玩具到了火星表面卻無論如何都飛不起來。道理很簡單，火星的大氣太稀薄了，火星表面平均大氣壓力僅為地球海平面的0.6%，其最高大氣密度相當於地球表面35公裡高空的空氣密度。別說無人機，迄今為止只有一款空氣動力飛行器能飛到這樣的高度——它是以火箭作動力的。

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飛得最高的飛機X-15A其實是半個火箭

為了讓直升機能在火星稀薄的空氣裡飛行，它首先要做到足夠輕，同時旋翼需要提供更大的推力。直升機在地球上的重量不到1.8千克，由於地球的引力是火星地表重力的2.6倍，因此直升機在火星上的重量大約只有0.68千克。

科學家們用碳纖維製作了兩對共軸雙槳旋翼，葉片跨度達到1.2米。直升機採用鋰電池供電，同時在轉子的頂端安裝了一塊太陽能電池板，充一整天的電夠它飛行90秒。你沒看錯，它一次頂多飛1分半鐘，在火星表面一次飛行距離最大距離是300米，飛行高度5米。

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火星直升機很輕，飛的不遠

要直升機幹嘛用？

從數據上看，NASA科學家耗費6年時間和無數金錢做出的無人機實在不怎麼樣，但考慮到它要在火星如此惡劣的自然條件下完成飛行，能讓直升機飛起來已經是件很不容易的事了。如果在地球上它絕對飛不到35公裡高空，因為地球的重力要大得多。

環繞軌道飛行的探測器解析度有限，加之火星大氣滿是塵土，它無法拍攝詳細的火星地貌；火星車的性能很先進，但由於動力受限，它不能去到很高的地方，也無法攀爬一些陡坡。這時候一架飛行器的重要性便凸顯出來：它能迅速觀察更大範圍的地形地貌，為火星車下一步的行動規劃提供參考，也能通過機載攝像機直接開展科學探測。

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直升機是火星車的眼睛

為什麼不選擇氣球？

在地球表面，氫氣球可以飛到很高的地方，它甚至比絕大多數飛機飛的都高。這是由於氫氣的物理性質決定的。

氫氣的比重很低，在一個大氣壓下它的密度僅為0.09克/升，而隨著高度的上升、環境壓力下降，氫氣的密度會進一步下降。因此理論上氫氣球能飛到距離地面85公裡的高空。

實際上，氫氣球本身的重量加上荷載的重量，大多數的高空氣球只能飛到海拔18~37公裡高處。2014年10月，計算機科學家艾倫·尤斯塔斯乘坐一個巨大的氫氣球升到41.425公裡的平流層並一躍而下，成為世界上最高的跳傘者。

既然氫氣球能飛得很高，又不需要為了保持高度而額外消耗能源，為什麼火星探索不考慮氫氣球或飛艇，反倒吃力不討好地研製無人直升機呢？

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火星飛艇看起來很美好，其實很難

氫氣儘管很輕，但它也是有重量的。要想讓氫氣球在火星表面攜帶有效載荷做長時間飛行，它就必須做得足夠大，這樣一方面飛行器需要攜帶足夠多的壓縮氫氣飛去火星，並且氫氣球外膜本身的重量與體積也不能不考慮進去。如此一來，氣球的運輸成本將比一架無人直升機要高許多倍。

另一個原因是氣球的操控性比直升機差。在空氣稀薄的火星表面，一個具有2公斤設備攜帶能力的氫氣球的體積達500~1000立方米，如此龐大的體積受氣流影響，它很容易被風吹到很遠的地方，從而失去與火星車的聯繫。一個不受控制的飛行器對火星表面研究任務沒有幫助，採用系留法活動範圍又有限，這也是科學家們放棄氣球或飛艇的重要原因之一。

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