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高達 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「火星季」發(fā)射的第三個探測器。

 

       如果一切順利的話，在7個月后，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驗還有：在紅色星球上放飛人類第一架外星無人機——Ingenuity。

 

 

       按照計劃，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，進入火星大氣層后，它將張開一個降落傘，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，毅力號有一個自動駕駛系統(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，毅力號將至少花費一個火星年（約 687 個地球日）的時間對附近的區(qū)域進行探索。

 

 

       Ingenuity：火星車派出的偵察兵

 

       使用空間探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史，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，但移動距離有限，而且很多地方不適合火星車進入。

 

       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辦法來擴展火星車的視野——無人機。

 

 

       這架無人機重量僅為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新的維度，」Ingenuity 項目負責(zé)人、噴氣推進實驗室負責(zé)人 MiMi Aung 表示。

 

       NASA 黑科技：只有 1% 的大氣也能飛

 

       給火星車配一個無人機，其實這個點子不難想到，真正的難點在于：怎么讓它飛起來？

 

 

       火星表面的重力大約只有地球的 1/3 強（38%），看起來似乎很容易起飛，但有一點非常致命：火星大氣的密度只有地球的 1%。由于幾乎沒有空氣流動，在火星上獲得起飛所需的升力是非常困難的，因此，根據(jù)地球空氣動力學(xué)設(shè)計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，因為隨著速度的增加，風(fēng)險也會增加。

 

       「沒有直升機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噴氣推進實驗室技術(shù)組成員、火星無人機項目首席工程師Bob Balaram 說道�！嘎菪龢�不能越轉(zhuǎn)越快，因為它的尖端會接近音速，接下來就是超音速。我們并不想讓它達到音速，因為這會加劇湍流效應(yīng)�！�

 

       通常在移動速度接近音速時，會出現(xiàn)一股強大的阻力，使飛行器產(chǎn)生強烈的振蕩，這個現(xiàn)象俗稱為音障。即使是直升機旋翼的翼尖出現(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)計團隊還設(shè)定了無人機的尺寸，確定該探測器可以容納一個葉片直徑 1.2 米的微型無人機。

 

       在弄清楚這些限制之后，NASA 噴氣推進實驗室（JPL）的工程師開始著手設(shè)計第一架火星無人機。

 

       他們將無人機的重量限制在1.8千克左右，這得益于輕量級電子設(shè)備的進步。如果放在幾十年前，輕量級電子計算機、傳感器、攝像機、陀螺儀等都還沒有被發(fā)明出來，造這么一個輕量級無人機幾乎是不可能完成的任務(wù)。

 

       無人機的最終設(shè)計看起來像一只戴著復(fù)雜頭飾的長腿蜘蛛。它的主體是一個盒子，盒子上伸出四條腿，使機身能夠直立。

 

       無人機的頂部安裝了四個碳纖維葉片，還有一個太陽能電池板。這些葉片的設(shè)計轉(zhuǎn)速可達每分鐘 2400 轉(zhuǎn)。對于無人機來說，這是極快的轉(zhuǎn)速。相比之下，一架傳統(tǒng)直升機每分鐘的轉(zhuǎn)速僅為 450 到 500。