火星探索，觀測先行！未來充氣式滑翔機或稱霸火星天空

在過去的幾十年裡，火星已經成為太陽系中被人類探索最多的行星。事實上，目前仍有八個任務探測器在這顆紅色星球上及其軌道上運行。而在這群探測器中，資歷最老的是在 2001 年到達的火星奧德賽軌道飛行器，預計它將一直運行到 2025 年。同時，隨著 NASA 還有其它太空機構正在朝將火星樣本送回地球並最終送人到火星的目標努力，更多的火星任務正在計劃中。

（來源：NASA / JPL-CALTECH）

而要想登陸火星，對火星地表的仔細勘探就是必不可少的準備工作了。目前環繞火星的軌道飛行器能夠對火星地表拍攝分辨率為 30 厘米的圖像。行星科學家正在逐漸將這些圖像組合成一張相對高分辨率的火星表面地圖。

但是他們需要更高分辨率的圖像來計劃未來的著陸任務。到目前為止，大多數火星車降落在相對平坦的平原上，在那裡發生隕石撞擊形成隕石坑的機會很小。而對於科學家來說，那些可能有水存在的山谷和山脊才是他們真正感興趣的探測目的地。於是便產生了安全著陸時分辨小岩石和隕石坑圖像的需求。

在此之前，承擔這一工作往往都是火星探測器自身攜帶的巡視器，它們能夠在周圍 100 米的範圍內拍攝分辨率為 1 厘米的照片。可問題在於，受限於行進速度和動力的限制，巡視器在任務周期內的累計行進裡程也未必會很長，以剛剛退役的機遇號為例，其在執行任務期間行駛的 45 公里已經創下了前所未有的紀錄，而這可是足足花了 15 年的時間。

那麽該如何解決這一問題呢？科學家們把注意力轉向了飛行器。然而，在火星上飛行是一件棘手的事情。雖然火星上重力很低，大約是地球的三分之一，但大氣的密度只有地球的百分之一，這使得在火星上很難產生升力。

目前，行星科學家們正在尋找更快速地探索行星表面的方法。一個可行的想法是發射一架匹配動力引擎的飛機進入火星大氣層，使其執行對地面觀測任務，這樣的飛行任務可以覆蓋很遠的距離，只是成本很高，需要 3.5 億美元。

一個更便宜的方法是讓火星巡視器攜帶一個四軸飛行器，可以調查周圍地區。5 月 11 日，NASA 宣布，其計劃將一個小型自動直升機（確切地說就是“火星直升機”）與計劃中的“火星 2020 年探測車（Mars 2020 rover）”一道送入太空。不過，這種方案又飛行時間短，航程有限。

圖丨Mars 2020 任務可能攜帶的直升機（來源：NASA）

於是，一個折衷的方案應運而生。亞利桑那大學的 Adrien Bouskela、Aman Chandra 和他的同事們說，他們正是設計這樣一個任務。他們的想法是將一架無動力的滑翔機發射到火星大氣層中，通過上升的暖氣流來保持它的高度。這架滑翔機將是充氣式的，折疊之後體積足夠小，可以很方便地被運送到火星。

這架滑翔機將攜帶一個 500 萬像素的攝影頭、一台無線電通信設備、一台機載計算機，以及一組帶有電池的太陽能電池板，以便在白天儲存足夠的電力，使其在晚上能夠繼續工作。Bouskela 和他的同事們計算出，除了充氣機翼和方向舵外，滑翔機的重量將達到 5 公斤，大約相當於一隻金雕的重量。

圖丨火星“滑翔機”（來源：University of Arizona）

他們進一步計算出，要使這個質量可以保持在高空飛行，機翼的翼展需要接近 6 米，飛行速度大約為每秒 100 米。相比之下，金雕可以在地球上展開 2 米的翅膀，同時以每秒 15 米的速度飛行。

在具體操作上，該滑翔機將隨主探測器一起進入火星大氣層，並在約 2 公里的高度從主探測器上拋出。氮氣發生器將在 10 秒內給滑翔機充氣並增壓，在接下來的一個小時左右，它的機翼將在火星陽光的作用下被硬化。

其實，像這樣的充氣技術已經在火星上測試過了。火星探路者號著陸器和 Mars MER 巡視器都在進入火星大氣層時借助了膨脹氣囊緩解地面的衝擊。“該技術還被用在開發小型衛星的通信天線上，”Bouskela 說。

而火星上滑翔機的概念之所以能實現，還離不開火星與地球的大氣結構相似性，也就是說，火星上風速隨高度的變化與地球相似。而在地球上，滑翔機一般會借助一股從對流層上升到達平流層的上升暖氣流滑翔，這樣看來，類似的方法也應該適用於火星。

事實上，研究小組已經對火星上的這類飛行進行了數值模擬。結果表明，在風速隨高度變化足夠大的情況下，這種自主滑翔可以使滑翔機長時間保持在高空。當然，一切還需要更多的工作來確定火星上全年和整個表面是否真的存在這種情況。

然而，即使是幾個小時的飛行也能產生有價值的數據。機載相機的地面分辨率大約為 10 厘米，以每秒 100 米的速度，滑翔機可以飛行數百公里。滑翔機將圖像發送到軌道中繼站，然後中繼站就可以將圖像發送回地球。

這樣的任務可以解釋許多突出的火星之謎。其中之一便是令人費解的“神秘線條”，即當夏天來臨時，火星的斜坡上會形成的一道道線條。這些通常被認為是由於鹽水的流動而產生的，但是仍然需要更進一步的觀察。

這種滑翔機還可能有助於探測未來任務的潛在著陸點。“這個提出的火星滑翔機概念為加速火星表面探索提供了一個全新的途徑，”Bouskela 說。