第一架直升機(jī)在火星

Sora

“創(chuàng)造力”號直升機(jī)效果圖

最近，美國宇航局計劃發(fā)射第五個火星探測器“毅力”號，這次旅程將持續(xù)6個月。“毅力”號將啟動一項任務(wù)，以收集可能具有古代生命痕跡的火星塵土樣本，這些樣本將在幾年后的另一項任務(wù)中返回地球。

它的負(fù)載中還有一個特殊物品：一架名為“創(chuàng)造力”號的小型自動駕駛直升機(jī)。明年春天的某個時候，“創(chuàng)造力”號將悠悠啟動，成為第一架在火星飛行的飛行器。

“創(chuàng)造力”號登場

想要對火星進(jìn)行一個整體了解，衛(wèi)星是最適合的工具。想要了解地面上的細(xì)節(jié)，火星車就特別擅長細(xì)微地探索相對少量的地形。而對于概覽兩者之間的所有事物，一個飛行器就很重要了。

在過去幾年，火星車只能覆蓋幾十公里范圍，如今無人飛行器可以在一天內(nèi)輕松覆蓋。它們可以拍攝空中快照，以幫助火星車?yán)L制最佳路徑，或收集樣本并將其送回固定的著陸器進(jìn)行分析。

“創(chuàng)造力”號的硬件（相機(jī)、通信設(shè)備和航空電子設(shè)備）裝在一個小立方體中，該立方體由四根細(xì)長的腿懸在空中，使它看上去有點像機(jī)器昆蟲。在飛行器頂部，有兩對轉(zhuǎn)子葉片，每對直徑4英尺，夾在機(jī)身和一塊矩形的太陽能電池板之間。整個裝置的重量，不及一個裝滿的兩升蘇打水瓶，但它足夠堅固，足以承受在發(fā)射、著陸以及在火星表面活動時所面臨極端環(huán)境的傷害。

“下車”干活兒

“毅力”號到達(dá)火星后，將花費數(shù)周的時間檢查系統(tǒng)。如果一切順利，那么首要任務(wù)就是在鋪滿巖石的耶澤羅撞擊坑中找到一塊空地，讓“乘客”下車。其實，“創(chuàng)造力”號自己會從火星車的“腹部”掉下來。

一旦火星車和“創(chuàng)造力”號分開，后者的壽命就要進(jìn)入倒計時了。噴氣推進(jìn)實驗室的項目首席工程師鮑勃·巴拉蘭和他的團(tuán)隊只有一個月時間，最多可以進(jìn)行5次試飛。巴拉蘭說：“這項行動的全部目的是獲取工程數(shù)據(jù)，因此我們可以說，這完全按我們的想法行事，而火星上沒有任何意外。”

正如萊特兄弟用“小鷹”號進(jìn)行的飛行測試一樣，“創(chuàng)造力”號的首次飛行只有幾秒鐘時間。這是巴拉蘭團(tuán)隊在地球進(jìn)行的飛行測試的精準(zhǔn)復(fù)刻，他們可以對它的性能與期望進(jìn)行一次細(xì)致比較。

順利的話，“創(chuàng)造力”號將會嘗試挑戰(zhàn)性越來越強(qiáng)的飛行項目。它的設(shè)計目標(biāo)是可以在離地15英尺，從起飛點算起，最多可以跨越三個足球場的距離。它的電池將飛行時間限制在90秒之內(nèi)，雖然聽起來不太長，但在火星上進(jìn)行飛行試驗已經(jīng)足夠了。

小試牛刀

斯坦福大學(xué)航空工程師、從事硬幣大小的微型飛行器研究工作的依蘭·克魯和巴拉蘭進(jìn)行了合作。克魯說：“我們很快意識到，在大氣中飛行微型設(shè)備，與在火星上飛行尺寸稍大的設(shè)備非常相似，至少在空氣動力學(xué)上非常相似。我們的微型旋翼設(shè)計，放大一些以后就可以在火星上飛行。”

巴拉蘭和克魯在21世紀(jì)初，向美國宇航局（NASA）提交了建造火星直升機(jī)的提議，盡管有評審團(tuán)的積極反饋，但該提議未獲得資助。于是，這個想法又?jǐn)R置了15年，直到美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室主任查爾斯·埃拉奇要求巴拉蘭重新編寫該提案，并將之作為該機(jī)構(gòu)最新火星車上可能搭載的附加試驗項目。

2018年，美國宇航局官員宣布，小型無人駕駛直升機(jī)將成為2020年火星飛行任務(wù)的附屬科學(xué)任務(wù)。

就物理學(xué)而言，火星上直升機(jī)的飛行原理與在地球上基本相同：葉片旋轉(zhuǎn)，下拉空氣的速度足夠快以產(chǎn)生升力。但是，細(xì)節(jié)決定成敗。在一次早期測試中，來自加利福尼亞的機(jī)器人制造廠的工程師發(fā)現(xiàn)，一旦房間被密封并且抽出空氣以復(fù)制火星狀態(tài)后，飛行器就開始表現(xiàn)不穩(wěn)定。

整個裝置的重量，不及一個裝滿的兩升蘇打水瓶。

工程師把“創(chuàng)造力”號安裝在火星車的“腹部”

7月30日，“毅力”號火星探測器從美國卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空

在地球上，由于葉片的長度和旋翼周圍的湍流空氣動力學(xué)環(huán)境，直升機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)時具有上下拍打的自然傾向。如果不是由于地球的濃厚大氣將拍打的振動衰減到可以控制的水平，那么拍打造成的反饋力度將大得驚人。而火星的大氣過于稀薄，無法產(chǎn)生這種阻尼效果，機(jī)器起伏不定的話，會給系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。為了彌補這種影響，“創(chuàng)造力”號團(tuán)隊重新打造了更加堅硬的葉片。

“創(chuàng)造力”號不過是“小試牛刀”，更神奇的操作還在后面。美國宇航局計劃在2025年派出一架名為“蜻蜓”的小型核動力四旋翼飛機(jī)，在土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六附近，執(zhí)行尋找生命的任務(wù)。“蜻蜓”的壽命將比“創(chuàng)造力”號長得多，預(yù)計它將用兩年時間在土衛(wèi)六上空飛行，而且具有2英里的飛行高度范圍。

土衛(wèi)六被認(rèn)為是太陽系中最容易飛行的地方，因為它的大氣層非常稠密且重力很小。巴拉蘭說：“如果你不介意那里太冷，可以自己駕駛飛機(jī)飛到那里去。”

當(dāng)然，就目前而言，人們還不得不使用無人直升機(jī)。

責(zé)任編輯榮智慧 rzh@nfcmag.com