“機(jī)智號”在火星上騰飛

楊先碧

2020年7月30日，“毅力號”火星車從美國佛羅里達(dá)州升空。與以往的火星探測任務(wù)不同，這次有一個(gè)小家伙跟隨升空，它就是在火星上翱翔的首架無人機(jī)——“機(jī)智號”。

“機(jī)智號”有多大

“毅力號”火星車和一輛家用小轎車差不多大小，其長度為3米，寬度為2.7米，高度為2.2米，凈質(zhì)量為1043千克。與“毅力號”相比，“機(jī)智號”小得可憐，凈質(zhì)量只有1.8千克，旋翼葉片長度為1.2米。

“機(jī)智號”藏在火星車的腹部。“機(jī)智號”的設(shè)計(jì)符合一款航天器的標(biāo)準(zhǔn)，可以承受火箭發(fā)射過程中產(chǎn)生的重力和振動(dòng)。當(dāng)火星車著陸火星之后，科學(xué)家會(huì)將“機(jī)智號”喚醒，令其從火星車腹部飛出來。

每一次飛行任務(wù)完成后，“機(jī)智號”會(huì)再次回到“毅力號”的懷抱中。此時(shí)，“機(jī)智號”像是個(gè)袋鼠寶寶，靜靜地在火星車腹部沉睡。

“機(jī)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%，而火星大氣中幾乎沒有氧氣，95%是二氧化碳，大氣的平均溫度是-63℃。因此，想在火星上飛起來是件不容易的事情。當(dāng)然，無人機(jī)在火星上飛行也有比在地球上飛行有利的地方，火星引力只有地球引力的1/3，無人機(jī)不需要花太大力氣來克服火星引力。

為了讓“機(jī)智號”能在火星上順利飛行，科學(xué)家為它設(shè)計(jì)了先進(jìn)的旋翼。這個(gè)旋翼包括2個(gè)轉(zhuǎn)子和4個(gè)葉片，每個(gè)葉片長1.2米。這些葉片采用碳纖維材料，薄如蟬翼，輕如鴻毛。同時(shí)，“機(jī)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(yùn)行。

盡管采用了先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，“機(jī)智號”的飛行能力仍然非常有限：最大飛行距離為300米，最大飛行高度只有5米。這是因?yàn)樵诨鹦巧巷w行條件苛刻，旋翼得每分鐘旋轉(zhuǎn)2400轉(zhuǎn)才能保障“機(jī)智號”正常飛行。而在地球大氣層中，旋翼旋轉(zhuǎn)速度只需280次/分鐘左右，就可輕松且平穩(wěn)地飛行。

“機(jī)智號”將在火星車著陸后的60～90個(gè)火星日后，進(jìn)行為期30天的飛行穩(wěn)定性測試，預(yù)計(jì)最多飛行5次。由于旋翼功率大，而所攜帶的充電式鋰電池小，因此“機(jī)智號”每次只能飛行90秒。

為什么不給“機(jī)智號”配備更大的鋰電池呢？這是因?yàn)殡姵靥筇兀皺C(jī)智號”可能就飛不起來。“機(jī)智號”另外攜帶有太陽能電池板（位于無人機(jī)的頂部），可利用陽光為鋰電池充電。“機(jī)智號”飛行90秒，卻需要一個(gè)火星日（24.62小時(shí)）的時(shí)間來充電。

“機(jī)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(xué)家還要研制無人機(jī)呢？

這是因?yàn)檐壍里w行器離火星表面太遠(yuǎn)，難以觀察火星表面的細(xì)節(jié);而火星車視野有限，對地形的要求較高，很容易被坡坡坎坎、懸崖峭壁和石塊碎礫等阻斷去路。

如果火星上曾經(jīng)演化出生命，在表面環(huán)境變得惡劣之后，它們可能躲到地下洞穴中。陽光照射不到的火星洞穴可能是水和冰的儲(chǔ)存之地，因此未來人類要進(jìn)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顯然都不太適合深入洞穴。

無人機(jī)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(jī)智號”攜帶有小型航空電子設(shè)備、通信設(shè)備和成像設(shè)備，這樣它可以按照地面科學(xué)家的指令飛到火星車難以抵達(dá)的區(qū)域。

“機(jī)智號”其實(shí)是一架示范性火星無人機(jī)，也就是說，它的主要用途不是科學(xué)考察，而是測試在火星上的飛行效果。科學(xué)家會(huì)根據(jù)其飛行結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，對火星無人機(jī)的后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，以便更有效地完成更多的科學(xué)考察任務(wù)。

“機(jī)智號”研制團(tuán)隊(duì)的首席科學(xué)家哈瓦德-格里普說：“萊特兄弟證明在地球大氣中的動(dòng)力飛行是可行的，而我們將證明，飛行器在火星大氣環(huán)境中也能飛起來。”

“機(jī)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(jī)命名為“機(jī)智號”。這個(gè)名字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此前曾經(jīng)為2020年發(fā)射的火星車舉行命名比賽，全美共有2.8萬名中小學(xué)生投稿。當(dāng)年3月，航天局宣布選中“毅力”一詞作為火星車的名稱。此后，航天局又從候選詞條中選中“機(jī)智”一詞作為火星無人機(jī)的名稱。

為什么會(huì)提出“機(jī)智號”這個(gè)名字？提名者魯帕尼說：“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(yàn)到太空探索的奇觀，聰明才智讓人們完成令人驚嘆的事情。”