火星將迎來首架無人機

文/ 楊先碧

▲ 降落在火星上的機智號無人機效果圖

2020年7月30日，美國火星2020探測器從佛羅里達州升空。與以往的火星任務(wù)不同的是，這次不僅攜帶了毅力號火星車，而且還有一個“小家伙”跟隨升空，它就是即將在火星上翱翔的首架無人機——“機智號”。

“機智號”有多大

美國最近的這次火星探測任務(wù)主要是將毅力號火星車送上火星，“機智號”不過是個“添頭”，因此它一點也不起眼。這從對它們的投入就可以看出來：“毅力號”耗資24億美元，而“機智號”僅僅0.85億美元。

“毅力號”是一個“大家伙”，和一輛家用小轎車差不多大，其長3米、寬2.7米、高2.2米、凈重1043千克。與“毅力號”相比，“機智號”小得可憐，凈重只有1.8千克，旋翼葉片長度為1.2米。

“機智號”藏于“毅力號”的“腹部”，并隨著“毅力號”一起飛往火星。“機智號”的設(shè)計符合一款航天器的標準，可以承受火箭發(fā)射過程中產(chǎn)生的重力和振動。當“毅力號”著陸火星之后，科學家會將“機智號”喚醒，令其從“毅力號”的“腹部”飛出來。

每次飛行任務(wù)完成后，“機智號”會再次回到“毅力號”的“懷抱”中。此時，“機智號”像是個袋鼠寶寶，靜靜地在“毅力號”的“腹部”沉睡。

“機智號”如何飛翔

火星大氣環(huán)境十分惡劣：火星表面的大氣壓僅有地球的0.7%；火星大氣中幾乎沒有氧氣，95%是二氧化碳，火星大氣的平均溫度是-63℃。因此，想在火星上飛起來是件十分不容易的事情。當然，無人機在火星上飛行也有比地球有利的地方，那就是火星引力只有地球引力的三分之一，無人機不需要花太大的“力氣”來克服火星引力。

▲ “機智號”（前）與“毅力號”（后）個頭對比

▲ “機智號”的結(jié)構(gòu)示意圖

▲ “機智號”模型

▲ 工作人員對“機智號”進行測試調(diào)整

為了讓“機智號”能在火星上順利飛行，科學家為它設(shè)計了先進的旋翼。這個旋翼包括2個轉(zhuǎn)子、4個葉片，每個葉片長1.2米。這些葉片采用了碳纖維材料，薄如蟬翼，輕如鴻毛。同時，“機智號”配備有抗輻射系統(tǒng)，這可保證其在寒冷的火星環(huán)境中正常運行。

盡管“機智號”采用了先進的材料和設(shè)計，但它的飛行能力還是特別有限：最大飛行距離為300米，最大飛行高度只有5米。這是因為在火星上飛行十分費勁，旋翼要每分鐘旋轉(zhuǎn)2800次才能保障“機智號”的正常飛行。而在地球大氣層中，旋翼旋轉(zhuǎn)速度只需280次左右就可輕松且平穩(wěn)地飛行。

“機智號”將在“毅力號”著陸后的60～90個火星日后，進行為期30天的飛行穩(wěn)定性測試，預計最多飛行5次。由于旋翼功率很大，且“機智號”攜帶的充電式鋰電池又不能太大，因此“機智號”每次的飛行時間很短，只有90秒。

為什么不給“機智號”配備更大的鋰電池呢？這是因為如果攜帶的電池太大太重的話，“機智號”可能在火星上就飛不起來了?！皺C智號”攜帶有太陽能電池板（位于無人機的頂部），可利用陽光為鋰電池充電。“機智號”飛行短短90秒，卻需要一個火星日（24.62小時）的時間來充電。

▲ “機智號”離開“毅力號”執(zhí)行飛行探測任務(wù)

“機智號”有什么用

目前，在火星上工作的有軌道飛行器和火星車。為什么科學家還要研制無人機呢？這是因為軌道飛行器離火星表面太遠，難以進行觀察到火星表面的細節(jié)。而火星車的視野有限，對地形的要求較高，很容易被坡坡坎坎、懸崖峭壁、石塊碎礫等阻斷去路。

如果火星上曾經(jīng)演化出生命，在火星表面環(huán)境變得惡劣之后，它們可能撤退到地下洞穴中。陽光照射不到的火星洞穴可能是水和冰的儲存之地，因此未來人類要進駐火星，洞穴可能是備選的居住地之一。無論出于什么樣的考慮，火星洞穴都值得探索，而火星車和軌道飛行器都不太適合深入洞穴。

無人機則結(jié)合了軌道飛行器和火星車的優(yōu)勢，它既可以從空中俯瞰，又可以近地觀察，還可以飛入火星洞穴、峽谷和隕石坑中。比如，“機智號”攜帶有小型航空電子設(shè)備、通信設(shè)備、成像設(shè)備，這樣它可以按照地面科學家發(fā)布的指令進行飛行，飛到火星車難以抵達的區(qū)域。

“機智號”為示范性火星無人機，也就是說，它的主要用途不是進行科學考察，而是測試無人機究竟能不能在火星上飛起來?？茖W家根據(jù)其飛行結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，對后續(xù)的火星無人機的設(shè)計進行改進，讓以后的火星無人機能更有效地完成更多的科學考察任務(wù)。

“機智號”研制團隊的首席科學家哈瓦德·格里普說：“萊特兄弟表明，飛行器在地球大氣中的動力飛行是可行的，而我們的研究則將證明，飛行器在火星大氣中也能飛起來。”

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“機智號”名字的由來

2020年4月，美國宇航局宣布，將首架火星無人機命名為“機智號”?！皺C智號”是由英文ingenuity翻譯來的，這個名字來自美國阿拉巴馬州諾斯波特的高中生瓦妮扎·魯帕尼的提議。

美國宇航局曾為2020年發(fā)射的火星車舉行命名比賽，邀請全美青少年參與，以激發(fā)他們對航天任務(wù)的興趣。全美共有2.8萬名中小學生投稿。2020年3月，美國宇航局宣布選中perseverance（毅力）一詞作為火星車的名稱。

當美國宇航局準備為首架火星無人機命名時，他們沒有另外舉行選拔賽，而是從火星車命名征集賽的優(yōu)秀名稱中挑選了一個。這就是“機智號”名字的由來，它是由美國宇航局局長吉姆·布里登斯廷選出來的。

為什么會提出“機智號”這個名字？魯帕尼說：“對于希望努力克服星際旅行挑戰(zhàn)的人來說，聰明才智讓我們所有人都能體驗到太空探索的奇觀，聰明才智讓人們完成令人驚嘆的事情?！?/p>

▲ 為火星無人機取名的女中學生瓦妮扎·魯帕尼