火星將迎來首架無人機

□文/楊先碧

2020年7月30日，美國的“毅力號”火星車從佛羅里達州升空。與以往的火星探測任務不同的是，這次有一個“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”降落在火星上（藝術圖）

“機智號”有多大

美國最近的這次火星探索任務主要是將“毅力號”送上火星，“機智號”不過是個“添頭”，因此“機智號”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”僅耗資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，其長度為3米，寬度為2.7米，高度為2.2米，凈質量為1 043千克。與“毅力號”相比，“機智號”小得可憐，其凈質量為1.8千克，旋翼葉片長度為1.2米。

“機智號”與“毅力號”個頭對比

“機智號”藏于“毅力號”火星車的“腹部”，并隨之一起飛往火星。“機智號”的設計符合航天器的標準，可以承受火箭發射過程中產生的重力和振動。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”像是一個袋鼠寶寶，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，不是一件容易的事情。當然，無人機在火星上飛行也有比在地球上有利的地方，那就是火星引力只有地球引力的1/3，無人機不需要花太大的“力氣”來克服火星引力。

為了讓“機智號”能在火星上順利飛行，科學家為它設計了先進的旋翼。這個旋翼包括2個轉子、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”配備了抗輻射系統，可保證在寒冷的火星環境中正常運行。

盡管“機智號”采用了先進的材料和設計，它的飛行能力依然很有限：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2 800次才能保障“機智號”的正常飛行。而在地球大氣層中，旋翼旋轉速度每分鐘只需280次左右，就可輕松且平穩地飛行。

“機智號”將在“毅力號”著陸60～90 個火星日后進行飛行穩定性測試，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，因此它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。“機智號”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”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，難以觀察到火星表面的細節；而火星車的視野有限，對地形的要求較高，很容易被溝溝坎坎、懸崖峭壁、石塊碎礫等阻斷去路。

如果火星上曾經演化出生命，在火星表面環境變得惡劣之后，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。

無人機則結合了軌道飛行器和火星車的優勢，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備、通信設備、成像設備，這樣它可以按照地面科學家發布的指令進行飛行，飛到火星車難以抵達的區域。

“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。科學家會根據其飛行結果和相關數據，對后續的火星無人機的設計進行改進，讓以后的火星無人機能更有效地完成科學考察任務。

“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。”

“機智號”名字的由來

2020年4月，美國國家航空航天局宣布，將首架火星無人機命名為“機智號”。 這個名字是由英文ingenuity翻譯來的，來自美國亞拉巴馬州諾斯波特的高中生瓦妮扎·魯帕尼的提議。

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

當美國國家航空航天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，它是由美國國家航空航天局局長吉姆·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。”

為火星無人機取名的女中學生

“機智號”與“毅力號”