「火星無人機(jī)」：NASA這次發(fā)射的，是最具野心的探測計(jì)劃。

最近幾天，以火星為目標(biāo)的探測器紛紛啟程。 7 月 30 日，在美國宇航局 NASA 成功發(fā)射的 MARS 2020 任務(wù)中，「宇宙神 5」型運(yùn)載火箭將最新一代火星探測器毅力號 （Perseverance）送上軌道。 毅力號是有史以來最大、最為復(fù)雜的火星探測系統(tǒng)，這臺次世代火星車造價(jià)高達(dá) 27 億美元，總重 1025 千克。它是自阿聯(lián)酋希望號、中國天問一號之后，人類在這個(gè)「火星季」發(fā)射的第三個(gè)探測器。 如果一切順利的話，在 7 個(gè)月后，它將開始采集火星巖石標(biāo)本，并將其封裝后埋在特定位置，等待 NASA 取回地球。毅力號還要尋找古代外星生命的跡象，并首次使用麥克風(fēng)捕獲火星的聲音。 除此以外，毅力號最讓人感興趣的實(shí)驗(yàn)還有：在紅色星球上放飛人類第一架外星無人機(jī)——Ingenuity。

按照計(jì)劃，在經(jīng)過 5 億公里的路程之后，毅力號將于 2021 年 2 月 18 日在火星赤道以北的耶澤洛隕石坑（Jezero crater）上著陸，進(jìn)入火星大氣層后，它將張開一個(gè)降落傘，隨后在兩米高度使用火箭懸停，把火星車「吊裝」到地面上。與好奇號不同，毅力號有一個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，可以避開巨大的巖石并把自己引導(dǎo)到安全的位置。 在火星上，毅力號將至少花費(fèi)一個(gè)火星年（約 687 個(gè)地球日）的時(shí)間對附近的區(qū)域進(jìn)行探索。

毅力號預(yù)定降落的區(qū)域。超過 38 億年前，一條河從這個(gè)位置注入 45 公里寬的隕石坑，選擇這里當(dāng)然是為了尋找火星古代存在生命的證據(jù)。 Ingenuity：火星車派出的偵察兵 使用空間探測器進(jìn)行火星探測的歷史幾乎貫穿整個(gè)人類航天史，但這些工具都有一些局限性。圍繞火星飛行的軌道飛行器能拍到大范圍的火星圖像，但分辨率不夠高；發(fā)射到火星表面的火星車拍到的圖像分辨率很高，但移動(dòng)距離有限，而且很多地方不適合火星車進(jìn)入。 之前，已經(jīng)有一些人類制造的「火星車」登陸過火星，但是為了適應(yīng)火星表面平均 - 63 攝氏度，接近外太空的殘酷環(huán)境，工程師們會讓它們行駛得非常緩慢。人們最為熟知的好奇號迄今為止已運(yùn)行了八年，才累積行駛了 22 公里，平均一下還沒有蝸牛爬得快。 于是，NASA 的研究人員就想了一個(gè)辦法來擴(kuò)展火星車的視野——無人機(jī)。

這架無人機(jī)重量僅為 1.8 公斤，裝在探測器的腹部，將在火星的惡劣環(huán)境中嘗試起飛。這將是人造飛行器在地球以外的星球的首次飛行，或?qū)㈤_辟一條新的太陽系探索之路。 「此次飛行測試的成功將為人類的太空探索添加一個(gè)新的維度，」Ingenuity 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 MiMi Aung 表示。

NASA 黑科技：只有 1% 的大氣也能飛 給火星車配一個(gè)無人機(jī)，其實(shí)這個(gè)點(diǎn)子不難想到，真正的難點(diǎn)在于：怎么讓它飛起來？

火星表面的重力大約只有地球的 1/3 強(qiáng)（38%），看起來似乎很容易起飛，但有一點(diǎn)非常致命：火星大氣的密度只有地球的 1%。由于幾乎沒有空氣流動(dòng)，在火星上獲得起飛所需的升力是非常困難的，因此，根據(jù)地球空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的飛行器在火星上都飛不起來。 如果想在火星上起飛，飛行器必須是超輕的，而且螺旋槳的轉(zhuǎn)速要非常快。但螺旋槳也不能轉(zhuǎn)太快，因?yàn)殡S著速度的增加，風(fēng)險(xiǎn)也會增加。 「沒有直升機(jī)在這種條件下飛起來過——這大概相當(dāng)于在地球 3 萬米海拔上起飛，」NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)組成員、火星無人機(jī)項(xiàng)目首席工程師 Bob Balaram 說道。「螺旋槳不能越轉(zhuǎn)越快，因?yàn)樗募舛藭咏羲伲酉聛砭褪浅羲佟Ｎ覀儾⒉幌胱屗_(dá)到音速，因?yàn)檫@會加劇湍流效應(yīng)。」 通常在移動(dòng)速度接近音速時(shí)，會出現(xiàn)一股強(qiáng)大的阻力，使飛行器產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，這個(gè)現(xiàn)象俗稱為音障。即使是直升機(jī)旋翼的翼尖出現(xiàn)這樣的情況也不好處理。順便一提：火星的音速是 240m/s，比地球上還要慢三分之一。 此外，毅力號的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還設(shè)定了無人機(jī)的尺寸，確定該探測器可以容納一個(gè)葉片直徑 1.2 米的微型無人機(jī)。 在弄清楚這些限制之后，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的工程師開始著手設(shè)計(jì)第一架火星無人機(jī)。 他們將無人機(jī)的重量限制在 1.8 千克左右，這得益于輕量級電子設(shè)備的進(jìn)步。如果放在幾十年前，輕量級電子計(jì)算機(jī)、傳感器、攝像機(jī)、陀螺儀等都還沒有被發(fā)明出來，造這么一個(gè)輕量級無人機(jī)幾乎是不可能完成的任務(wù)。 無人機(jī)的最終設(shè)計(jì)看起來像一只戴著復(fù)雜頭飾的長腿蜘蛛。它的主體是一個(gè)盒子，盒子上伸出四條腿，使機(jī)身能夠直立。 無人機(jī)的頂部安裝了四個(gè)碳纖維葉片，還有一個(gè)太陽能電池板。這些葉片的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘 2400 轉(zhuǎn)。對于無人機(jī)來說，這是極快的轉(zhuǎn)速。相比之下，一架傳統(tǒng)直升機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速僅為 450 到 500。

Ingenuity 無人機(jī)和你的筆記本電腦差不多重，不知道里面承載了多少黑科技。 然而，無人機(jī)造出來只是成功了一半，重點(diǎn)是要確保它能在火星上飛起來。「除了設(shè)計(jì)，你還要考慮一個(gè)問題：『怎么測試？』因?yàn)橹皼]有人這么做過。」MiMi Aung 表示。

幸運(yùn)的是，NASA 的 JPL 實(shí)驗(yàn)室配置了可以用于這項(xiàng)工作的巨大測試室。這是一個(gè)名為「空間模擬器」的巨大房間，它可以創(chuàng)造一個(gè)完全真空的環(huán)境，還可以模擬無人機(jī)在離開地球之后可能面臨的各種極端氣溫。為了模擬火星大氣，他們將空間模擬器抽成近乎真空的環(huán)境，然后再往里填二氧化碳，這樣就得到了類似火星的大氣密度。 除了大氣，重力也是一個(gè)要解決的問題。為了模擬火星上的重力，工程人員給無人機(jī)系上了一根細(xì)繩。這根細(xì)繩及相關(guān)裝置叫做 Gravity Offload System，可以提供向上的拉力。 在最初的幾次飛行測試中，研究小組發(fā)現(xiàn)，測試無人機(jī)的葉片總是不停地上下擺動(dòng)。由于葉片比較細(xì)長，這種擺動(dòng)的傾向也發(fā)生在地面直升機(jī)上，但是厚重的大氣減弱了這種影響。 為了解決這個(gè)問題，他們把螺旋槳的葉片做得非常硬，比地球上同等大小的普通直升機(jī)要硬得多。 該團(tuán)隊(duì)在各種極端條件下進(jìn)行了數(shù)十次飛行測試，最低測試溫度達(dá)到零下 90 度。測試完成后，他們將無人機(jī)折疊起來，放入了毅力號探測器。 在毅力號到達(dá)火星并找到合適的位置之后，它會將 Ingenuity 放出來，讓它獨(dú)立完成任務(wù)。

毅力號將 Ingenuity 放到火星表面后揚(yáng)長而去。 火星上的萊特兄弟時(shí)刻 「如果成功，它將與萊特兄弟飛行成功的一刻媲美。」MiMi Aung 說道。在毅力號登陸火星后 90 天遠(yuǎn)程自檢的時(shí)間段里，她的團(tuán)隊(duì)有一個(gè)月的時(shí)間來試飛無人機(jī)。在未來，我們或許可以看到無人機(jī)在遙遠(yuǎn)的火星上搜尋宇航員，執(zhí)行各種任務(wù)。

「Ingenuity」計(jì)劃將完成四次短途飛行，每次起飛都會有更大更遠(yuǎn)的目標(biāo)，計(jì)劃內(nèi)每次飛行時(shí)間不會超過 90 秒。但在短短的時(shí)間里，Ingenuity 可以飛到 4.6 米高，水平移動(dòng)距離約 50 米。 由于地球和火星之間的通信有很長時(shí)間的延遲（單向 3-22 分鐘），所有這些飛行都必須是自主的。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將向無人機(jī)發(fā)送一個(gè)指令列表，由它自己執(zhí)行所有步驟。在計(jì)劃中，無人機(jī)會在飛行時(shí)捕捉圖像，而毅力號也有可能拍下一些 Ingenuity 盤旋在空中的圖像。

作為史上第一個(gè)在外星起飛的無人機(jī)，「Ingenuity」執(zhí)行的任務(wù)主要是技術(shù)驗(yàn)證，證明飛行器在未來的火星任務(wù)中具有價(jià)值。 雖然剛剛發(fā)射上天，但工程師們已經(jīng)開始著手設(shè)計(jì)更大的、重量在 20 公斤左右的無人機(jī)。Ingenuity 的下一代將可以攜帶比現(xiàn)在更重要的科學(xué)載荷和更好的相機(jī)。「但在學(xué)會走路之前，你必須先嘗試爬行。這就是 Ingenuity 的意義所在，」Balaram 說道。「希望我們能夠?qū)崿F(xiàn)『萊特兄弟式』的成功時(shí)刻，在另一個(gè)星球上首次完成可控飛行。」