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火星飛機

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20世紀70年代，美國宇航局設計用於地球空氣遙感任務，並使用聯氨燃料的微型嗅探器[1]。
機智號直升機，在背景中可看到毅力號（藝術想像圖）。

火星飛機（Mars aircraft）是一種能在火星大氣層中維持動力飛行的飛行器。迄今為止，機智號火星直升機是唯一在火星上飛行的物體。2021年4月19日，它首次從地面起飛進行動力飛行[2]，並在38分49秒的時間內完成了21次成功的飛行，飛行里程4.65公里（2.89英里）[3]。此前，美國宇航局的微型嗅探器實驗機曾被考慮用於飛入並研究火星大氣層任務，但這一想法後被放棄。飛機可對火星大氣層進行現場測量，並能擴大觀測範圍。美國宇航局的一項長期目標就是開發有人駕駛的火星飛機[4]。

與地球相比，火星表面的空氣要稀薄得多，海平面氣壓不到地球的1%，需要一種更有效的方法來增加升力。抵銷這一劣勢的有利因素是火星空氣主要由二氧化碳組成，單位體積密度比地球空氣高，且火星上的重力則不到地球的40%[5][4]。

歷史

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1918年，丹麥科幻電影《天上的船》（又名《火星之旅》），展示了一艘名為埃克塞爾西奧（Excelsior）的宇宙飛船所進行的載人火星之旅[6]。

在使用航天器探索火星之前，火星大氣層的密度被懷疑比後來測量的要高，使得工程師們認為有翼飛行會比實際情況要容易得多。韋恩赫爾·馮·布勞恩在他的「火星計劃」（Das Marsprrojekt）概念中[7]，就提出了用於人類登陸火星的有翼飛行器[4]。

20世紀60年代，美國太空總署與福特/飛歌航空電子公司（Ford/Philco Aeronutronic）簽訂了首份詳細的火星着陸器合同，主要為着陸器設計升力體。當時，對火星大氣層的一些最佳估計值比1965年7月水手4號測量所揭示的密度要高得多[8]。該着陸器有一個帶小翼的桶形升力體，是火星着陸器最早的詳細設計之一，儘管它無法在火星大氣條件下飛行[8]。航空電子公司火星升力體着陸器的設計思路是基於認為火星大氣層的主要成分是相當於地球10%左右的氮氣[8]。

1965年7月，着火星着陸器的設計風格已從升力體和滑翔翼式轉變為彈道進入式着陸器[9]。

20世紀70年代，製造了多種版本的微型嗅探機，因此它也可以在全二氧化碳環境中飛行[1]。通過使用聯氨，微型嗅探機可在沒有氧氣的情況下運行，該設計被考慮用於火星大氣採樣[10]。這種飛機有一具大螺旋槳，可在稀薄的空氣中實現有效飛行，並在1975年至1982年間進行了許多次不同配置的飛行[11]。

20世紀70年代提出了有翼漫遊車設計的概念，能比固定式的海盜號登陸器覆蓋更大的區域[4]。20世紀90年代，在提倡「更快、更好、更經濟」的時代背景下，美國宇航局曾提議在萊特兄弟首次飛行周年紀念日前，讓一架火星飛機在火星上飛行[4]。阿瑞斯火星飛機提案曾一度被選為火星探索計劃的候選方案，但最終並未被選擇發射。

2015年，一架火星飛機被視為是重啟日本「火星生命探索和生物搜索任務」（MELOS）的一種選項[12]，該飛行器早期的設計為機翼跨度1.2米，質量為2.1千克，任務設置為[12]：在任務地表組件着陸階段時，飛機將在5公里的高度釋放，然後水平飛行4分鐘，覆蓋25公里的範圍[12]。

2021年4月19日，美國宇航局的機智號直升機成為首架動力控制的火星飛機。它最初被放置在毅力號火星漫遊車的車腹下一起降落到火星[2]。

飛機

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阿瑞斯火星飛機概念圖

火星原型機已在地球上空近30公里（98000英尺）的高度飛行過（大約是火星表面平均氣壓的兩倍）[13]，並測試了可在紫外線下固化的可膨脹機翼[14]。當在火星大氣中飛行時，雷諾數要比地球大氣層低很多[5]。水手谷是無人駕駛飛機和火星滑翔機的目標探測地[15][4]。

滑翔機可攜帶更多的科學儀器，但覆蓋範圍較小[4]，已提議將聯氨用作火星飛機燃料[4]。美國宇航局一度開發過一種炒鍋大小的「微任務」飛機計劃，該飛機僅搭載單台有效載荷在火星飛行[4]。在火星上，1馬赫約為240米/秒（790英尺/秒），而地球上1馬赫則約為332米/秒（1090英尺/秒）[16]。

在已取消的火星探索計劃中，代達羅斯提案設計了一架沿科普剌塔斯峽谷飛行400公里（250英里）的火星滑翔機[17]。

提出過的火星飛機概念包括：

  • 阿瑞斯（ARES），空中區域尺度環境調查[18]；
  • 魔術師（MAGE），火星機載地球物理探測器[15]；
  • 阿米（AME），火星探測飛機[13]；
  • 鬥牛士（MATADOR），可部署、操控和回收的火星先進技術飛機[13]；
  • 空中水手（Sky-Sailor），配備微型機械人的太陽能飛機[19]；
  • 小鷹號（Kitty Hawk），多滑翔機任務[15]；
  • 代達羅斯（Daedalus），航程超過400公里的滑翔機[20]（火星探索計劃2011提案）[17]；
  • 艦隊（ARMaDA），「先進可部署火星偵察飛機」[21]；
  • 浪潮（MAREA），歐洲軍事航空研究所飛機[21]；
  • 普朗特-M（Prandtl-M）[22]，設計於登陸火星時的空氣動力學初步研究)[23]；
  • 美國宇航局微型嗅探機(Mini-Sniffer)，考慮用於火星大氣取樣，測試時使用聯氨（與空氣無關）[11]。

氣球

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氣球可代替降落傘實現軟着陸[24]，也可讓着陸器起飛並降落在一處新地點[24]]。氣球技術分兩種：超高壓和熱氣球[24]。超高壓氣球通過控制因加熱而產生的壓力，以保持高度[24]。

熱氣球則是利用火星上的熱空氣來產生升力[24]，火星氣球概念的一則示例是火星地球科學航空機械人[25]。現已進行了一些研究來開發超薄、柔韌的太陽能電池，以讓氣球蒙皮本身能利用太陽光來發電[26]。

此外，還提出了用真空來產生升力的飛艇[27][28]。

旋翼機

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部署在火星表面萊特兄弟機場的機智號直升機。

2002年發表的一篇論文建議火星探索計劃可採用自動機械人直升機進行火星探測[29]。人們注意到可行的旋翼機設計具有許多優點，包括能夠穿越困難的火星地形，但仍能在原地訪問多個地點[29]。1967年月球勘測者6號進行的短距跳躍被認為是跳躍探訪另一地點的事例[29]。

未來火星探測直升機項目的設計

機智號是美國宇航局火星2020任務的一部分，它是一架機械人直升機，首次展示了在火星大氣層中的旋翼飛行[30]。這架飛機是從毅力號漫遊車上釋放的，預計在任務初期的30天測試活動中最多飛行五次[31]。在離地3至5米（10至16英尺）的高度範圍內，每次飛行不超過90秒，但每次飛行的最大距離可能為50米（160英尺）[30]。每次着陸後，它將自主控制並直接與毅力號通信。它實現了在另一顆行星上的首次動力飛行，為美國宇航局的未來火星任務設計打下了基礎[32]。

其他飛行器和機載設備

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其他機載設備
海盜1號的氣動外殼
好奇號漫遊車從天車上降下（藝術想像圖）
  • 由韋恩赫爾·馮·布勞恩提出的高超音速滑翔機[4]；
  • 各種降落傘已經成為主要的機載設備；
  • 與減速火箭一樣，火箭持久飛行也是着陸系統的一部分；
  • 各種航天器的氣動外殼；
  • 火箭驅動的跳躍探測器（如火星間歇泉跳躍者）。

虛擬化

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火星快車號的高解像度立體相機和火星勘測軌道飛行器的高解像度成像科學設備相機都可通過在三維地形模型上疊加表面圖片來提供在火星表面的虛擬飛行[33][34][35]。

另請查看

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參考文獻

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  1. ^ 1.0 1.1 Mini-Sniffer. 2015-09-28 [2022-03-20]. （原始內容存檔於2022-03-20）. 
  2. ^ 2.0 2.1 NASA’s Ingenuity Mars Helicopter Succeeds in Historic First Flight. NASA. April 19, 2021 [April 20, 2021]. （原始內容存檔於2021-04-20）. 
  3. ^ Current figures based on reference numbers in table at bottom of source: Tzanetos, Teddy. Better By the Dozen – Ingenuity Takes on Flight 12. Mars Helicopter Tech Demo. NASA/JPL. August 15, 2021 [8 November 2021]. （原始內容存檔於2021-12-21）. 
  4. ^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 Oliver Morton – MarsAir : How to build the first extraterrestrial airplane. [March 4, 2021]. （原始內容存檔於2021-04-29）. 
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  6. ^ Miklós, Vincze. Astounding Spaceship Designs From Before The Space Age. io9. August 15, 2013 [2022-03-20]. （原始內容存檔於2021-05-07）. 
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外部連結

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