NASA“毅力号”——首架在地球以外的星球上飞行的动力飞机

如果火星上有生命，NASA的“毅力号”火星探测器应该能够找到迹象。该火星探测器计划于今年7月底或8月初从美国佛罗里达的肯尼迪航天中心发射。该火星探测器的任务是钻取古老湖床下的岩石，检查其生物特征，从大气中提取氧气并收集土壤样本，未来可能会带回地球。 不过，要想在火星上成功地完成任务，总归需要一点机智，字面上看，这正是“毅力号”所搭载的设备。在探测器的着陆装置上，搭载着一架小型自动驾驶直升机，名为“机智号”（Ingenuity）。如果一切按计划进行，它会成为首架在地球以外的星球上飞行的动力飞机。

让无人机在火星上飞行，这听起来很简单，但实际上，要设计一个切实可行的机器非常困难。“机智号”最大的敌人是火星上的大气层。火星上的大气密度不到地球上大气密度的1%，着陆点在夜间的气温会降至零下100℃。

NASA喷气推进实验室（JPL，位于加州帕萨迪纳市）负责该项目的飞行测试指挥特奥多雷•扎尼托斯（Theodore Tzanetos）说：“这就像地球上有一缕风，而我们只能利用其1%来进行飞行器的升高和控制。”世界上还没有能够在如此稀薄的空气中飞行的直升机。 “毅力号”和“机智号”计划于2021年2月18日在火星一座名为杰泽罗（Jezero）的火山口着陆，然后开始进行探测。约60个火星日之后，探测器将无人机放到地面，自己则移至100米之外，看着它起飞。 汽车大小的“毅力号”重1025公斤，而无人机“机智号”只有1.8公斤重，机身只有一盒纸巾那么大。“毅力号”的两个上下叠在一起的碳纤维旋翼，以约2 400转/分的转速向相反的方向旋转，其转速是地球上大多数直升机旋翼的5倍。如果转速低于该速度，它就无法起飞；如果转速快太多，旋翼的外缘将接近超音速，可能会造成冲击波和湍流，导致无人机无法保持稳定。 “机智号”将作为一项技术示范。任务管理层希望能够在30天的周期内完成5次飞行。每次飞行时间不超过90秒，飞行高度不超过10米，从起飞点到着陆点的距离不超过300米。 喷气推进实验室参与该项目的机械工程主任乔西•拉维奇（Josh Ravich）说：“与地球上的无人机相比，它的机动性会差一些，不过它必须经受从地球火箭上发射、由地球飞行到火星的过程，进入、下降并着陆到火星表面，最终在火星上寒冷的夜晚中存活下来。” 工程师为此进行了多年的研究，以期满足动力、耐久性、机动性和重量等互相矛盾的需求。无人机的电力来自旋翼上的太阳能板，并储存在锂离子电池中，其中的大部分电力并不用于飞行，而是用于无线电和导航系统的夜间保暖。工程师们曾考虑使用气凝胶（一种超轻泡沫）来解决电子设备的隔热保暖问题，不过最终认为这会使重量增加太多而未予采用。建模显示，火星上大气的主要成分是二氧化碳，能够提供一定的热保护。 团队计算得出，一天中首次飞行的最佳时间是火星的上午。这时阳光足够强，可在短暂的飞行中给电池充电。如果太晚，阳光的热度会导致空气上升，使火星表面的空气更稀薄，直升机起飞就更困难了。 为了看看无人机是否能起飞，团队将一台测试模型放置在一个三层楼高的舱室内，舱室中充满了模拟的火星大气。线缆将舱室吊起，以模拟火星的重力（地球重力的0.38倍）。拉维奇说，它飞起来了，但是真正的测试会在火星上进行。 如果“机智号”成功了，未来我们就可以利用无人机帮助探测器进行火星侦查，甚至探索那些宇航员难以到达的悬崖边缘和火山。“我们目前只能从表面上或者轨道上看到火星。”拉维奇说，“而在90秒的飞行中，我们可以看到前面几百米的情景。”  

原文标题：火星直升机准备起飞

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