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机智号,起飞!

时间: 2021年04月20日 | 作者: 王昱 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
机智号火星首飞成功的消息传回NASA控制中心,人类飞行器在地球之外实现了首次动力受控飞行。


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机智号黑白导航相机在飞行期间拍摄的照片(图片来源:NASA)


在耶泽罗陨击坑的平原上,机智号1.2米长的叶片以每分钟2500转的速度飞速旋转,在1%个大气压的稀薄大气中托起自己1.8千克的机身……就在刚刚,机智号火星首飞成功的消息传回NASA控制中心,人类飞行器在地球之外实现了首次动力受控飞行。


撰文|王昱

审校|吴非

 

经历过多次推迟,并在火星上完成了一次软件更新后,在毅力号的注视下,机智号无人直升机完成了它的首次飞行。机智号在3米的高度盘旋了约30秒后降落,加上上升和降落,飞行整体持续39秒左右。尽管在火星飞行困难重重,NASA还是挤出一点重量,在机智号上放了一块莱特兄弟“飞行者一号”的零件,以此纪念本次飞行的重要意义。

 

1903年,莱特兄弟驾着他们的“飞行者一号”起飞时,不知道他们能否想到一百多年后,人类的飞行器也能在这颗红色星球上“御风而行”。那时甚至还没有“科幻”这一概念,基于当时对火星模糊不清的观测,甚至有人称火星上存在运河。在此后的一个多世纪,人类的认知边界和技术实力呈指数上涨。我们把探测器送上了这颗充满未知的红色星球,而今天,我们终于实现了火星表面的飞行。


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机智号(图片来源:NASA)


生存


此次起飞的机智号其实是一台小型的共轴双旋翼直升机,通过螺旋桨的旋转提供升力,可以精确控制4个旋翼的倾角,2个螺旋桨反向旋转力矩抵消,无需尾桨,整体结构也更适合折叠。

 

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火星直升机示意图(图片来源:NASA/JPL-Caltech)


机智号被固定在毅力号的底部,它们一起经受了8分钟内从秒速五公里减速到0的考验,降落到这颗太阳系内和地球最接近的红色星球上。对毅力号来说,在火星降落就是最大的考验。而对附着在其底面的机智号,考验才刚刚开始。机智号首先面对的考验就是火星表面极低的温度。耶泽罗陨击坑中夜晚最低温度为零下90摄氏度,不少电子元件的运行都会受到影响。

 

拥有核电池的毅力号自然不用担心能源问题,机智号附着在毅力号上时,尚且可以依靠毅力号的能源保温。但机智号毕竟还是要离开毅力号的,在抛掉保护罩,缓慢展开,并将六块锂离子电池充满之后,机智号被放置在火星表面。将机智号放下后,毅力号尽快驶离,让机智号获得太阳能。依靠着它上方的太阳能板和内部的电池,机智号顺利撑过了火星寒冷的夜晚。


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毅力号和机智号的自拍(图片来源:NASA)

 

我们当然也需要和机智号保持联络,但生存下来就已不易,更别提在它上面安装高功率天线了。而这时,毅力号就充当了中转站的作用。机智号可以在1千米内和毅力号保持通讯,前者的状态信息会被传到火星人造卫星上,信号再以光速飞行16分钟,才能到达地球。


起飞


生存下来后,如何在火星起飞依然是个问题。即使火星是太阳系内和地球最接近的星球,两者之间还是存在巨大差异。对于飞行来说,最明显的区别就是火星表面大气密度只有地球密度的1%。地球上的直升机都存在升限,就算是只有4000米海拔的青藏高原,大多数直升机就已经难以飞行。而火星地表1%大气压的密度,相当于地球上3万米的高空。

 

由于大气过于稀薄,虽然火星表面重力大约只有地球表面的1/3,机智号仍然需要尽可能减轻自己的重量。为了让机智号能够在火星上飞行,它还必须足够坚固,能够承受高转速对机体结构的考验。为此,机智号的旋翼、支脚都使用碳纤维构成。最终,这个翼展1.2米的直升机质量仅有1.8千克,不少人手上的笔记本电脑都比它重。

 

和1.8千克重量对应的,是机智号旋翼快得有些不真实的转速。地球上的直升机主旋翼转速一般为每分钟300转左右,而机智号为每分钟2500转。飞行时机智号的峰值功率可达350瓦,核动力的毅力号功率也不过110瓦。在地球上这个转速听起来可能有些不可思议,不过也正是由于火星表面过低的气压,这个转速才成为可能。但转速也只能提升到这个级别了,火星表面240米每秒的声速限制了直升机的翼展和转速,超音速后翼尖会产生剧烈震颤,威胁飞行安全。


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机智号原型在实验室中的试飞(图片来源:NASA)

 

另外,目前地球和火星之间的距离在16光分左右,而机智号飞行时间最多不过90秒,因此机智号必须实现全自主飞行,实时调控飞行参数。为此,机智号搭载了高通骁龙Robotics Flight 801平台,其核心正是高通骁龙801芯片,大约是七年前的旗舰手机芯片。而机智号上面还搭载了黑白、彩色两个相机,可以在火星上航拍。第一次飞行拍摄了4张黑白照片和3张彩色照片,受数据传输限制,会在3天后传回地球。

 

就像在地球上那样,飞行器起飞对天气有严格的要求。机智号会根据毅力号上火星环境动态分析仪(Mars Environmental Dynamics Analyzer,MEDA)的数据,推测火星上的天气情况,在电池电量良好的前提下,选择风力最小时起飞。


未来


这次任务风险巨大,在起飞之前没人能知道它是否能成功,所以这个耗费8500万美元的无人机没有被赋予任何科学目标。它甚至不能算作毅力号的一个科学任务,而是一项实验性的技术验证,可以说是一次豪赌。这次飞行验证了将来火星飞行探测器的可行性,甚至为未来火星宇航员使用无人机打下基础。

 

机智号的设计飞行计划是,在30个火星日(31个地球日)的实验窗口进行至少一次飞行。但他们实际想达成的远不止如此。在接下来的飞行中,机智号将继续依靠太阳能板充电。第二次飞行将会飞到5米高,平移几米距离,飞行90秒后降落。第三次飞行则会测试机智号的飞行性能极限,最多飞到50米外再返回。第四、第五次飞行则依靠之前飞行获得的数据决定。每次飞行,毅力号都会将它的镜头对准它在机智号,提供更多机智号在火星上的飞行照片。毅力号还会在机智号飞行过程中尝试录音,如果可能的话,甚至会拍一两段视频。


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未来机智号在火星表面飞行的想象动画(图片来源:NASA)

 

NASA一直以探索者自居,他们一直在思考如何在大众中更好地传播科学知识,让所有人都能参与宇宙探索,毅力号和机智号自然也是他们不会放过的重要机会。毅力号、机智号的装配全程其实一直都在网上直播。毅力号上还附带了一块刻有10932295名网友姓名的硅片,一些我们的读者朋友也参加了这项活动。就连毅力号着陆过程中的降落伞,都埋有彩蛋。到目前为止,毅力号任务已经回传并公开了3万多张照片。

 

如果将目光望向更长远的未来,机智号的起飞应该算得上人类对外星球探测中,一个不大不小的里程碑。面对今天的机智号,我们难以想象一百年后人类还能达成怎样的成就。但有一点可以肯定,面对未知,人类探索的脚步永远不会停歇。

 

参考链接:

https://mars.nasa.gov/files/mars2020/MarsHelicopterIngenuity_FactSheet.pdf

https://mars.nasa.gov/resources/25530/mars-helicopter-ingenuity-landing-press-kit/