無人機真的能飛越火星嗎？「火星版」萊特兄弟：NASA準備嘗試一下

&34;噴氣推進實驗室的總工程師說。

就在剛剛，美國宇航局（NASA）成功發射第四輛火星探測器 &34;，開始為期六個月的火星之旅。&34;將啟動一項任務，收集火星上可能有遠古生命痕跡的泥土樣本，以便在本世紀末的NASA另一項任務將這些樣本送回地球。它還將攜帶一個不同於以往任何助推器的有效載荷進入太空：一架名為 &34;（Ingenuity）的小型自主直升機。明年春天的某個時候，可能在4月份，&34;將旋轉起它的旋翼，成為第一艘在火星上飛行的太空飛行器。

美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室火星直升機項目總工程師鮑勃·巴拉拉姆（Bob Balaram）表示：&34;

衛星善於對一顆行星進行全面的了解，而漫遊車則善於探索一個相對較小的地形進行細緻的探索。對於介於兩者之間的所有東西，裝在一個機載系統是十分有幫助的。一個漫遊車在幾年的時間裡只能覆蓋幾十公裡的範圍，但未來的外星無人機可以在一天內輕鬆覆蓋。它們可以拍攝航拍照片，幫助漫遊車規劃最佳路徑，或者收集樣本，並將其送回固定的著陸器進行分析。雖然現階段的&34;還不能做任何實際的科學工作，但這是向外星飛機邁出的第一步。

&34;無人機的硬體——攝像機、通訊設備、航空電子設備——被塞在一個小立方體裡，它將被四條細長的腿懸掛在空中，使它看起來有點像一隻機器人昆蟲。在頂部，有兩對轉子葉片，每對旋翼的直徑為四英尺（約1.2米），夾在&34;的機體和一個矩形的太陽能電池板之間。整個裝置的重量還不到一個完整的兩升汽水瓶，但它的耐用性足以承受它在發射、著陸以及在火星表面的日常生活中所面臨的極端環境。

一旦 &34;抵達火星，它將花幾周時間檢查其自身的系統。如果一切順利的話，它的第一項任務就是在布滿巖石的Jezero隕石坑中找到一塊空地，放下它的&34;。(實際上，它將會被拋下——直升機被固定在火星車的腹部。) 一旦漫遊車和直升機分道揚鑣，直升機維持正常的工作時間就屈指可數了。巴拉拉姆（ Balaram）和他的團隊將只有一個月的時間來進行最多5次試飛。&34;

就像萊特兄弟在&34;上著名的飛行試驗一樣，其在第一次飛行時，&34;將只在空中停留幾秒鐘。這一飛行測試將是巴拉拉姆（ Balaram）和他的機組人員在地球上進行的飛行測試的幾乎完全相同的複製品，這樣他們就可以對直升機的性能與預期進行一個比較。如果一切順利，&34;將嘗試更具挑戰性的飛行曲線。這架直升機的設計飛行高度可達15英尺（約4.6米），從起飛點出發最多可飛行3個足球場。飛行器的電池限制了它的飛行時間只有90秒，但這對於它將在火星上進行的飛行測試類型來說已經足夠了。

對於巴拉拉姆（ Balaram）來說，第一次火星飛行已經是很久以前的事了。他在上世紀90年代末就醞釀了一個外星直升機的計劃——儘管這個想法並不完全是新的——因為他看到了史丹福大學航空航天工程師伊蘭·克羅（Ilan Kroo）的一次會議演講，他在過去幾年裡一直在研究一種硬幣大小的微型大氣研究無人機，稱為&34;。正如克羅（Kroo）和他的團隊從他們的研究中非常清楚地知道，空氣動力學在小範圍內變得不穩定，這使得控制飛行變得困難。&34;克羅（Kroo）表示。&34;

巴拉拉姆（Balaram）和克魯（Kroo）在21世紀初向NASA提交了一份關於火星直升機的提案，但儘管審查人員給予了積極的反饋，但該提案從未獲得資助。(巴拉拉姆（Balaram）指責該機構的預算削減。)這個想法又被擱置了15年，直到NASA噴氣推進實驗室主任查爾斯·埃拉奇(Charles Elachi)要求巴拉拉姆（Balaram）重新設計提案，並將其作為該機構最新火星車的一項長期試驗。2018年，美國宇航局官員宣布，該款外星直升機將成為2020年火星任務的科學配角。到那時，火星直升機的研發工作正在順利進行。

美國國家航空航天局(NASA)委託加州的一家無人機製造商AeroVironment為此次任務製造硬體。該公司在極端環境下操作自主飛機方面有豐富的經驗，而且與NASA也有一定的合作經歷。2001年，該公司與該機構籤訂了建造一架太陽能無人機的合同，該無人機成功地在9.6萬英尺（約2.9萬米）的高空飛行；20年後，這一紀錄依然保持著。由於火星大氣層稀薄，地球上的高度相當於火星表面附近的飛行。但在火星上駕駛一架小型直升機，讓在地球上駕駛一架巨大的太陽能機翼看起來很容易。

&34;AeroVironment公司的航空機械工程師本·皮彭伯格（Ben Pipenberg）表示：&34;

&34;無人機團隊必須平衡嚴格的重量要求和對耐用性和性能的競爭性要求。儘管直升機的重量上限為4磅（約1.8kg），但它必須有足夠的強度來承受它在發射和降落過程中遇到的強大力量。它的硬體也必須滿足任務的要求，比如對於發動機來說，需要它的旋翼槳葉旋轉速度是普通直升機的五倍，這樣它才能產生足夠的升力。對了，它還需要一臺足夠強大的計算機，以運行直升機將用於自主導航火星景觀的機器視覺算法。這對一臺比筆記本電腦還重的機器來說，要求很高。

&34;NASA噴氣推進實驗室&34;創意項目經理米米·昂(MiMi Aung)說。

為了減輕重量，AeroVironment公司的工程師們用泡沫製作了葉片，並用碳纖維包裹起來，在其他車身部件上使用了更為奇特的材料，比如鈹金屬基複合材料。對於航空電子設備和電源，該團隊轉而使用商用現成的部件。&34;用普通的鋰離子電池來存儲電力，它的計算機是高通驍龍處理器，這種處理器在各種智慧型手機中都能找到。它們可能不像&34;火星車上的硬體那樣不容易出故障，但它們比使用太空級硬體更便宜，同時還能滿足直升機的性能要求。由於&34;對火星車的主要任務並不重要，噴氣推進實驗室團隊可以用一些智慧型手機組件上進行冒險嘗試。

還有一個挑戰，就是簡單地弄清楚如何測試這個東西。&34;昂（Aung）表示：&34;

團隊打造了兩臺 &34;原型無人機，一臺用於環境測試，另一臺用於飛行測試。環境測試是一門讓太空飛行器的生活變成地獄的藝術。&34;的原型機暴露在極度寒冷的溫度下，以模擬火星上的條件，它被放置在小型引爆點附近，以確保它能夠承受探測器上用來展開降落傘的炸藥的爆炸衝擊，並且它用最強力和最糟糕的立體系統進行轟擊，以查看當暴露在火箭發射的極端振動中時，飛機的所有螺母和螺栓是否能夠保持緊密。

飛行測試是在一個直徑25英尺（約7.62米）的巨大真空室中進行的，真空室中充滿了二氧化碳，以複製火星大氣的成分和稀薄程度。火星上的引力只有地球上的三分之一，由於NASA還沒有弄清楚如何控制引力本身，該機構的工程師不得不通過其他方式進行補償，以創造一個真實的火星場景。對於&34;無人機來說，這意味著在飛行器上附加一個重力卸載繫繩。該繫繩看起來有點像釣魚線，可以動態調整，以拉起直升機，剛好可以模擬直升機飛行時重力降低的影響。

就物理學而言，在火星上駕駛直升機與在地球上駕駛直升機本質上是一樣的:槳葉旋轉並以足夠快的速度向下拉動空氣以產生升力。但是細節決定一切，親自動手的飛行實驗幫助&34;團隊發現了在另一個星球上駕駛直升機的一些怪癖。在一次早期測試中，一位AeroVironment公司的工程師發現，他能夠在一個開放的真空室中完美地駕駛&34;原型機。但是，一旦艙室被密封，空氣被抽出來模擬火星的環境，直升機就開始表現不穩定，變得難以飛行。&34;巴拉拉姆說。

在地球上，由於槳葉的長度和旋翼周圍的湍流空氣動力學環境，直升機的槳葉在旋轉時有自然扇動的趨勢。如果不是因為地球厚厚的大氣層將振動阻尼到一個可控制的程度，這種拍打的反饋將使直升機幾乎不可能控制。但正如AeroVironment工程師所發現的，火星的大氣層太過於稀薄，不可能產生這種拍打阻尼效應果，而且當襟翼在飛機上產生漣漪時，會對飛機的控制造成嚴重破壞。巴拉拉姆（ Balaram）認為:&34;為了彌補這一影響，&34;團隊重建了葉片，使其更加堅硬。

這很大程度上取決於飛行測試結果的準確性。與已經記錄了數小時飛行時間的&34;原型機不同，這架飛往火星的直升機只在星球上的空中停留幾分鐘。巴拉拉姆（ Balaram）說:&34;等到NASA在火星表面拋棄&34;的時候，這架無畏的小直升機只飛了不到30分鐘。

巴拉拉姆（ Balaram）說，美國國家航空航天局（NASA）已經在研製下一代外星直升機，而在飛行試驗中由&34;收集的工程數據將直接影響到它們的發展。這些未來的直升機看起來可能與以往的&34;有很大不同——例如，NASA正在研究的一種設計有六個旋翼——而且它們肯定會更大。

但是，在另一個行星上的首次科學飛行可能不會發生在火星上。2025年，美國宇航局（NASA）計劃發射一架名為&34;(Dragonfly)的小型核動力四軸飛行器，前往土星最大的衛星土衛六(Titan)周圍尋找生命跡象。&34;將比&34;壽命長得多——預計它將花兩年時間在土衛六表面飛行——而且它將有2英裡（約3.2km）的高度範圍。土衛六通常被認為是太陽系中最容易飛行的地方，因為它的大氣極其稠密，重力也很低。巴拉拉姆（ Balaram）認為:&34;

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撰寫：GolevkaTech

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