3月5日，火星車(chē)“毅力號(hào)”首次行走，它在33分鐘時(shí)間里行走了6.5米。與“毅力號(hào)”一同登陸火星的，還有一架無(wú)人機(jī)“機(jī)智號(hào)”，相比火星車(chē)，無(wú)人機(jī)的探索范圍以及空間會(huì)大為增加，讓我們拭目以待“機(jī)智號(hào)”的首飛。不過(guò)，在火星上想讓無(wú)人機(jī)飛起來(lái)，可比在地球上難多了，到底會(huì)遇到哪些挑戰(zhàn)呢？

降落在火星上的機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)效果圖

撰文 | 楊先碧

2020年7月30日，美國(guó)火星2020探測(cè)器從佛羅里達(dá)州升空。與以往的火星任務(wù)不同的是，這次不僅攜帶了毅力號(hào)火星車(chē)，而且還有一個(gè)“小家伙”跟隨升空，它就是即將在火星上翱翔的首架無(wú)人機(jī)——“機(jī)智號(hào)”。

01
“機(jī)智號(hào)”有多大

美國(guó)最近的這次火星探測(cè)任務(wù)主要是將毅力號(hào)火星車(chē)送上火星，“機(jī)智號(hào)”不過(guò)是個(gè)“添頭”，因此它一點(diǎn)也不起眼。這從對(duì)它們的投入就可以看出來(lái)：“毅力號(hào)”耗資24億美元，而“機(jī)智號(hào)”僅僅0.85億美元。

“毅力號(hào)”是一個(gè)“大家伙”，和一輛家用小轎車(chē)差不多大，其長(zhǎng)3米、寬2.7米、高2.2米、凈重1043千克。與“毅力號(hào)”相比，“機(jī)智號(hào)”小得可憐，凈重只有1.8千克，旋翼葉片長(zhǎng)度為1.2米。

“機(jī)智號(hào)”藏于“毅力號(hào)”的“腹部”，并隨著“毅力號(hào)”一起飛往火星?！皺C(jī)智號(hào)”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(guò)程中產(chǎn)生的重力和振動(dòng)。當(dāng)“毅力號(hào)”著陸火星之后，科學(xué)家會(huì)將“機(jī)智號(hào)”喚醒，令其從“毅力號(hào)”的“腹部”飛出來(lái)。

每次飛行任務(wù)完成后，“機(jī)智號(hào)”會(huì)再次回到“毅力號(hào)”的“懷抱”中。此時(shí)，“機(jī)智號(hào)”像是個(gè)袋鼠寶寶，靜靜地在“毅力號(hào)”的“腹部”沉睡。

02
“機(jī)智號(hào)”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%；火星大氣中幾乎沒(méi)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(lái)是件十分不容易的事情。當(dāng)然，無(wú)人機(jī)在火星上飛行也有比地球有利的地方，那就是火星引力只有地球引力的三分之一，無(wú)人機(jī)不需要花太大的“力氣”來(lái)克服火星引力。

“機(jī)智號(hào)”（前）與“毅力號(hào)”（后）個(gè)頭對(duì)比

“機(jī)智號(hào)”的結(jié)構(gòu)示意圖

“機(jī)智號(hào)”模型

工作人員對(duì)“機(jī)智號(hào)”進(jìn)行測(cè)試調(diào)整

為了讓“機(jī)智號(hào)”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、4個(gè)葉片，每個(gè)葉片長(zhǎng)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(shí)，“機(jī)智號(hào)”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“機(jī)智號(hào)”采用了先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，但它的飛行能力還是特別有限：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行十分費(fèi)勁，旋翼要每分鐘旋轉(zhuǎn)2800次才能保障“機(jī)智號(hào)”的正常飛行。而在地球大氣層中，旋翼旋轉(zhuǎn)速度只需280次左右就可輕松且平穩(wěn)地飛行。

“機(jī)智號(hào)”將在“毅力號(hào)”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(cè)試，預(yù)計(jì)最多飛行5次。由于旋翼功率很大，且“機(jī)智號(hào)”攜帶的充電式鋰電池又不能太大，因此“機(jī)智號(hào)”每次的飛行時(shí)間很短，只有90秒。

為什么不給“機(jī)智號(hào)”配備更大的鋰電池呢？這是因?yàn)槿绻麛y帶的電池太大太重的話，“機(jī)智號(hào)”可能在火星上就飛不起來(lái)了。“機(jī)智號(hào)”攜帶有太陽(yáng)能電池板（位于無(wú)人機(jī)的頂部），可利用陽(yáng)光為鋰電池充電。“機(jī)智號(hào)”飛行短短90秒，卻需要一個(gè)火星日（24.62小時(shí)）的時(shí)間來(lái)充電。

“機(jī)智號(hào)”離開(kāi)“毅力號(hào)”執(zhí)行飛行探測(cè)任務(wù)

03
“機(jī)智號(hào)”有什么用

目前，在火星上工作的有軌道飛行器和火星車(chē)。為什么科學(xué)家還要研制無(wú)人機(jī)呢？這是因?yàn)檐壍里w行器離火星表面太遠(yuǎn)，難以進(jìn)行觀察到火星表面的細(xì)節(jié)。而火星車(chē)的視野有限，對(duì)地形的要求較高，很容易被坡坡坎坎、懸崖峭壁、石塊碎礫等阻斷去路。

如果火星上曾經(jīng)演化出生命，在火星表面環(huán)境變得惡劣之后，它們可能撤退到地下洞穴中。陽(yáng)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(lái)人類要進(jìn)駐火星，洞穴可能是備選的居住地之一。無(wú)論出于什么樣的考慮，火星洞穴都值得探索，而火星車(chē)和軌道飛行器都不太適合深入洞穴。

無(wú)人機(jī)則結(jié)合了軌道飛行器和火星車(chē)的優(yōu)勢(shì)，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(hào)”攜帶有小型航空電子設(shè)備、通信設(shè)備、成像設(shè)備，這樣它可以按照地面科學(xué)家發(fā)布的指令進(jìn)行飛行，飛到火星車(chē)難以抵達(dá)的區(qū)域。

“機(jī)智號(hào)”為示范性火星無(wú)人機(jī)，也就是說(shuō)，它的主要用途不是進(jìn)行科學(xué)考察，而是測(cè)試無(wú)人機(jī)究竟能不能在火星上飛起來(lái)?？茖W(xué)家根據(jù)其飛行結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)后續(xù)的火星無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，讓以后的火星無(wú)人機(jī)能更有效地完成更多的科學(xué)考察任務(wù)。

“機(jī)智號(hào)”研制團(tuán)隊(duì)的首席科學(xué)家哈瓦德·格里普說(shuō)：“萊特兄弟表明，飛行器在地球大氣中的動(dòng)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(lái)?！?/p>

04
“機(jī)智號(hào)”名字的由來(lái)

2020年4月，美國(guó)宇航局宣布，將首架火星無(wú)人機(jī)命名為“機(jī)智號(hào)”。“機(jī)智號(hào)”是由英文ingenuity翻譯來(lái)的，這個(gè)名字來(lái)自美國(guó)阿拉巴馬州諾斯波特的高中生瓦妮扎·魯帕尼的提議。

美國(guó)宇航局曾為2020年發(fā)射的火星車(chē)舉行命名比賽，邀請(qǐng)全美青少年參與，以激發(fā)他們對(duì)航天任務(wù)的興趣。全美共有2.8萬(wàn)名中小學(xué)生投稿。2020年3月，美國(guó)宇航局宣布選中Perseverance（毅力）一詞作為火星車(chē)的名稱。

當(dāng)美國(guó)宇航局準(zhǔn)備為首架火星無(wú)人機(jī)命名時(shí)，他們沒(méi)有另外舉行選拔賽，而是從火星車(chē)命名征集賽的優(yōu)秀名稱中挑選了一個(gè)。這就是“機(jī)智號(hào)”名字的由來(lái)，它是由美國(guó)宇航局局長(zhǎng)吉姆·布里登斯廷選出來(lái)的。

為什么會(huì)提出“機(jī)智號(hào)”這個(gè)名字？魯帕尼說(shuō)：“對(duì)于希望努力克服星際旅行挑戰(zhàn)的人來(lái)說(shuō)，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。”

為火星無(wú)人機(jī)取名的女中學(xué)生瓦妮扎·魯帕尼

注：本文經(jīng)作者授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。

制版編輯 | Morgan

賽先生

啟蒙·探索·創(chuàng)造