话宇专栏丨火星探索，观测先行！未来充气式滑翔机或称霸火星天空

　　在过去的几十年里，火星已经成为太阳系中被人类探索最多的行星。事实上，目前仍有八个任务探测器在这颗红色星球上及其轨道上运行。而在这群探测器中，资历最老的是在 2001 年到达的火星奥德赛轨道飞行器，预计它将一直运行到 2025 年。同时，随着 NASA 还有其它太空机构正在朝将火星样本送回地球并最终送人到火星的目标努力，更多的火星任务正在计划中。
　　（来源：NASA / JPL-CALTECH）
　　而要想登陆火星，对火星地表的仔细勘探就是必不可少的准备工作了。目前环绕火星的轨道飞行器能够对火星地表拍摄分辨率为 30 厘米的图像。行星科学家正在逐渐将这些图像组合成一张相对高分辨率的火星表面地图。
　　但是他们需要更高分辨率的图像来计划未来的着陆任务。到目前为止，大多数火星车降落在相对平坦的平原上，在那里发生陨石撞击形成陨石坑的机会很小。而对于科学家来说，那些可能有水存在的山谷和山脊才是他们真正感兴趣的探测目的地。于是便产生了安全着陆时分辨小岩石和陨石坑图像的需求。
　　在此之前，承担这一工作往往都是火星探测器自身携带的巡视器，它们能够在周围 100 米的范围内拍摄分辨率为 1 厘米的照片。可问题在于，受限于行进速度和动力的限制，巡视器在任务周期内的累计行进里程也未必会很长，以刚刚退役的机遇号为例，其在执行任务期间行驶的 45 公里已经创下了前所未有的纪录，而这可是足足花了 15 年的时间。
　　那么该如何解决这一问题呢？科学家们把注意力转向了飞行器。然而，在火星上飞行是一件棘手的事情。虽然火星上重力很低，大约是地球的三分之一，但大气的密度只有地球的百分之一，这使得在火星上很难产生升力。
　　目前，行星科学家们正在寻找更快速地探索行星表面的方法。一个可行的想法是发射一架匹配动力引擎的飞机进入火星大气层，使其执行对地面观测任务，这样的飞行任务可以覆盖很远的距离，只是成本很高，需要 3.5 亿美元。
　　一个更便宜的方法是让火星巡视器携带一个四轴飞行器，可以调查周围地区。5 月 11 日，NASA 宣布，其计划将一个小型自动直升机（确切地说就是＂火星直升机＂）与计划中的＂火星 2020 年探测车（Mars 2020 rover）＂一道送入太空。不过，这种方案又飞行时间短，航程有限。
　　图丨Mars 2020 任务可能携带的直升机（来源：NASA）
　　于是，一个折衷的方案应运而生。亚利桑那大学的 Adrien Bouskela、Aman Chandra 和他的同事们说，他们正是设计这样一个任务。他们的想法是将一架无动力的滑翔机发射到火星大气层中，通过上升的暖气流来保持它的高度。这架滑翔机将是充气式的，折叠之后体积足够小，可以很方便地被运送到火星。
　　这架滑翔机将携带一个 500 万像素的摄像头、一台无线电通信设备、一台机载计算机，以及一组带有电池的太阳能电池板，以便在白天储存足够的电力，使其在晚上能够继续工作。Bouskela 和他的同事们计算出，除了充气机翼和方向舵外，滑翔机的重量将达到 5 公斤，大约相当于一只金雕的重量。
　　图丨火星＂滑翔机＂（来源：University of Arizona）
　　他们进一步计算出，要使这个质量可以保持在高空飞行，机翼的翼展需要接近 6 米，飞行速度大约为每秒 100 米。相比之下，金雕可以在地球上展开 2 米的翅膀，同时以每秒 15 米的速度飞行。
　　在具体操作上，该滑翔机将随主探测器一起进入火星大气层，并在约 2 公里的高度从主探测器上抛出。氮气发生器将在 10 秒内给滑翔机充气并增压，在接下来的一个小时左右，它的机翼将在火星阳光的作用下被硬化。
　　其实，像这样的充气技术已经在火星上测试过了。火星探路者号着陆器和 Mars MER 巡视器都在进入火星大气层时借助了膨胀气囊缓解地面的冲击。＂该技术还被用在开发小型卫星的通信天线上，＂Bouskela 说。
　　而火星上滑翔机的概念之所以能实现，还离不开火星与地球的大气结构相似性，也就是说，火星上风速随高度的变化与地球相似。而在地球上，滑翔机一般会借助一股从对流层上升到达平流层的上升暖气流滑翔，这样看来，类似的方法也应该适用于火星。
　　事实上，研究小组已经对火星上的这类飞行进行了数值模拟。结果表明，在风速随高度变化足够大的情况下，这种自主滑翔可以使滑翔机长时间保持在高空。当然，一切还需要更多的工作来确定火星上全年和整个表面是否真的存在这种情况。
　　然而，即使是几个小时的飞行也能产生有价值的数据。机载相机的地面分辨率大约为 10 厘米，以每秒 100 米的速度，滑翔机可以飞行数百公里。滑翔机将图像发送到轨道中继站，然后中继站就可以将图像发送回地球。
　　这样的任务可以解释许多突出的火星之谜。其中之一便是令人费解的＂神秘线条＂，即当夏天来临时，火星的斜坡上会形成的一道道线条。这些通常被认为是由于盐水的流动而产生的，但是仍然需要更进一步的观察。
　　这种滑翔机还可能有助于探测未来任务的潜在着陆点。＂这个提出的火星滑翔机概念为加速火星表面探索提供了一个全新的途径，＂Bouskela 说。