1%大氣密度也能飛？NASA把無人機送上火星，最具野心探測計劃啟動

機器之心報導

編輯：張倩、澤南

「火星無人機」：NASA這次發射的，是最具野心的探測計劃。

最近幾天，以火星為目標的探測器紛紛啟程。

7 月 30 日，在美國宇航局 NASA 成功發射的 MARS 2020 任務中，「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、最為複雜的火星探測系統，這臺次世代火星車造價高達 27 億美元，總重 1025 千克。它是自阿聯希望號、中國天問一號之後，人類在這個「火星季」發射的第三個探測器。

如果一切順利的話，在 7 個月後，它將開始採集火星巖石標本，並將其封裝後埋在特定位置，等待 NASA 取回地球。毅力號還要尋找古代外星生命的跡象，並首次使用麥克風捕獲火星的聲音。

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，在經過 5 億公裡的路程之後，毅力號將於 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，進入火星大氣層後，它將張開一個降落傘，隨後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，可以避開巨大的巖石並把自己引導到安全的位置。

在火星上，毅力號將至少花費一個火星年（約 687 個地球日）的時間對附近的區域進行探索。

毅力號預定降落的區域。超過 38 億年前，一條河從這個位置注入 45 公裡寬的隕石坑，選擇這裡當然是為了尋找火星古代存在生命的證據。

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範圍的火星圖像，但解析度不夠高；發射到火星表面的火星車拍到的圖像解析度很高，但移動距離有限，而且很多地方不適合火星車進入。

之前，已經有一些人類製造的「火星車」登陸過火星，但是為了適應火星表面平均 - 63 攝氏度，接近外太空的殘酷環境，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 公裡，平均一下還沒有蝸牛爬得快。

於是，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。

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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，或將開闢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 項目負責人、噴氣推進實驗室負責人 MiMi Aung 表示。

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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，真正的難點在於：怎麼讓它飛起來？

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%。由於幾乎沒有空氣流動，在火星上獲得起飛所需的升力是非常困難的，因此，根據地球空氣動力學設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，而且螺旋槳的轉速要非常快。但螺旋槳也不能轉太快，因為隨著速度的增加，風險也會增加。

「沒有直升機在這種條件下飛起來過——這大概相當於在地球 3 萬米海拔上起飛，」NASA 噴氣推進實驗室技術組成員、火星無人機項目首席工程師 Bob Balaram 說道。「螺旋槳不能越轉越快，因為它的尖端會接近音速，接下來就是超音速。我們並不想讓它達到音速，因為這會加劇湍流效應。」

通常在移動速度接近音速時，會出現一股強大的阻力，使飛行器產生強烈的振蕩，這個現象俗稱為音障。即使是直升機旋翼的翼尖出現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，毅力號的設計團隊還設定了無人機的尺寸，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後，NASA 噴氣推進實驗室（JPL）的工程師開始著手設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，這得益於輕量級電子設備的進步。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明出來，造這麼一個輕量級無人機幾乎是不可能完成的任務。

無人機的最終設計看起來像一隻戴著複雜頭飾的長腿蜘蛛。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。這些葉片的設計轉速可達每分鐘 2400 轉。對於無人機來說，這是極快的轉速。相比之下，一架傳統直升機每分鐘的轉速僅為 450 到 500。

Ingenuity 無人機和你的筆記本電腦差不多重，不知道裡面承載了多少黑科技。

然而，無人機造出來只是成功了一半，重點是要確保它能在火星上飛起來。「除了設計，你還要考慮一個問題：『怎麼測試？』因為之前沒有人這麼做過。」MiMi Aung 表示。

幸運的是，NASA 的 JPL 實驗室配置了可以用於這項工作的巨大測試室。這是一個名為「空間模擬器」的巨大房間，它可以創造一個完全真空的環境，還可以模擬無人機在離開地球之後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境，然後再往裡填二氧化碳，這樣就得到了類似火星的大氣密度。

除了大氣，重力也是一個要解決的問題。為了模擬火星上的重力，工程人員給無人機繫上了一根細繩。這根細繩及相關裝置叫做 Gravity Offload System，可以提供向上的拉力。

在最初的幾次飛行測試中，研究小組發現，測試無人機的葉片總是不停地上下擺動。由於葉片比較細長，這種擺動的傾向也發生在地面直升機上，但是厚重的大氣減弱了這種影響。

為了解決這個問題，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要硬得多。

該團隊在各種極端條件下進行了數十次飛行測試，最低測試溫度達到零下 90 度。測試完成後，他們將無人機摺疊起來，放入了毅力號探測器。

在毅力號到達火星並找到合適的位置之後，它會將 Ingenuity 放出來，讓它獨立完成任務。

毅力號將 Ingenuity 放到火星表面後揚長而去。

火星上的萊特兄弟時刻

「如果成功，它將與萊特兄弟飛行成功的一刻媲美。」MiMi Aung 說道。在毅力號登陸火星後 90 天遠程自檢的時間段裡，她的團隊有一個月的時間來試飛無人機。在未來，我們或許可以看到無人機在遙遠的火星上搜尋太空人，執行各種任務。

「Ingenuity」計劃將完成四次短途飛行，每次起飛都會有更大更遠的目標，計劃內每次飛行時間不會超過 90 秒。但在短短的時間裡，Ingenuity 可以飛到 4.6 米高，水平移動距離約 50 米。

由於地球和火星之間的通信有很長時間的延遲（單向 3-22 分鐘），所有這些飛行都必須是自主的。設計團隊將向無人機發送一個指令列表，由它自己執行所有步驟。在計劃中，無人機會在飛行時捕捉圖像，而毅力號也有可能拍下一些 Ingenuity 盤旋在空中的圖像。

作為史上第一個在外星起飛的無人機，「Ingenuity」執行的任務主要是技術驗證，證明飛行器在未來的火星任務中具有價值。

雖然剛剛發射上天，但工程師們已經開始著手設計更大的、重量在 20 公斤左右的無人機。Ingenuity 的下一代將可以攜帶比現在更重要的科學載荷和更好的相機。「但在學會走路之前，你必須先嘗試爬行。這就是 Ingenuity 的意義所在，」Balaram 說道。「希望我們能夠實現『萊特兄弟式』的成功時刻，在另一個星球上首次完成可控飛行。」

參考內容：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02257-w

https://www.theverge.com/2020/7/29/21339544/nasa-mars-helicopter-ingenuity-perseverance-rover-flight-date