1%大气密度也能飞？NASA把无人机送上火星，最具野心探测计划启动

编辑｜张倩、泽南

出品｜机器之心

最近几天，以火星为目标的探测器纷纷启程。

7月30日，在美国宇航局 NASA 成功发射的 MARS 2020 任务中，「宇宙神5」型运载火箭将最新一代火星探测器毅力号（Perseverance）送上轨道。

毅力号是有史以来最大、最为复杂的火星探测系统，这台次世代火星车造价高达27亿美元，总重1025千克。它是自阿联酋希望号、中国天问一号之后，人类在这个「火星季」发射的第三个探测器。

如果一切顺利的话，在7个月后，它将开始采集火星岩石标本，并将其封装后埋在特定位置，等待NASA取回地球。毅力号还要寻找古代外星生命的迹象，并首次使用麦克风捕获火星的声音。

除此以外，毅力号最让人感兴趣的实验还有：在红色星球上放飞人类第一架外星无人机——Ingenuity。

按照计划，在经过5亿公里的路程之后，毅力号将于2021年2月18日在火星赤道以北的耶泽洛陨石坑（Jezero crater）上着陆，进入火星大气层后，它将张开一个降落伞，随后在两米高度使用火箭悬停，把火星车「吊装」到地面上。与好奇号不同，毅力号有一个自动驾驶系统，可以避开巨大的岩石并把自己引导到安全的位置。

在火星上，毅力号将至少花费一个火星年（约687个地球日）的时间对附近的区域进行探索。

▲ 毅力号预定降落的区域。超过38亿年前，一条河从这个位置注入45公里宽的陨石坑，选择这里当然是为了寻找火星古代存在生命的证据。

01

Ingenuity：火星车派出的侦察兵

使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史，但这些工具都有一些局限性。围绕火星飞行的轨道飞行器能拍到大范围的火星图像，但分辨率不够高；发射到火星表面的火星车拍到的图像分辨率很高，但移动距离有限，而且很多地方不适合火星车进入。

之前，已经有一些人类制造的「火星车」登陆过火星，但是为了适应火星表面平均-63摄氏度，接近外太空的残酷环境，工程师们会让它们行驶得非常缓慢。人们最为熟知的好奇号迄今为止已运行了八年，才累积行驶了22公里，平均一下还没有蜗牛爬得快。

于是，NASA 的研究人员就想了一个办法来扩展火星车的视野——无人机。

这架无人机重量仅为1.8公斤，装在探测器的腹部，将在火星的恶劣环境中尝试起飞。这将是人造飞行器在地球以外的星球的首次飞行，或将开辟一条新的太阳系探索之路。

「此次飞行测试的成功将为人类的太空探索添加一个新的维度，」Ingenuity 项目负责人、喷气推进实验室负责人 MiMi Aung 表示。

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NASA 黑科技：只有 1% 的大气也能飞

给火星车配一个无人机，其实这个点子不难想到，真正的难点在于：怎么让它飞起来？

火星表面的重力大约只有地球的1/3强（38%），看起来似乎很容易起飞，但有一点非常致命：火星大气的密度只有地球的1%。由于几乎没有空气流动，在火星上获得起飞所需的升力是非常困难的，因此，根据地球空气动力学设计的飞行器在火星上都飞不起来。

如果想在火星上起飞，飞行器必须是超轻的，而且螺旋桨的转速要非常快。但螺旋桨也不能转太快，因为随着速度的增加，风险也会增加。

「没有直升机在这种条件下飞起来过——这大概相当于在地球 3 万米海拔上起飞，」NASA喷气推进实验室技术组成员、火星无人机项目首席工程师 Bob Balaram 说道。「螺旋桨不能越转越快，因为它的尖端会接近音速，接下来就是超音速。我们并不想让它达到音速，因为这会加剧湍流效应。」

通常在移动速度接近音速时，会出现一股强大的阻力，使飞行器产生强烈的振荡，这个现象俗称为音障。即使是直升机旋翼的翼尖出现这样的情况也不好处理。顺便一提：火星的音速是 240m/s，比地球上还要慢三分之一。

此外，毅力号的设计团队还设定了无人机的尺寸，确定该探测器可以容纳一个叶片直径 1.2 米的微型无人机。

在弄清楚这些限制之后，NASA 喷气推进实验室（JPL）的工程师开始着手设计第一架火星无人机。

他们将无人机的重量限制在1.8千克左右，这得益于轻量级电子设备的进步。如果放在几十年前，轻量级电子计算机、传感器、摄像机、陀螺仪等都还没有被发明出来，造这么一个轻量级无人机几乎是不可能完成的任务。

无人机的最终设计看起来像一只戴着复杂头饰的长腿蜘蛛。它的主体是一个盒子，盒子上伸出四条腿，使机身能够直立。

无人机的顶部安装了四个碳纤维叶片，还有一个太阳能电池板。这些叶片的设计转速可达每分钟2400转。对于无人机来说，这是极快的转速。相比之下，一架传统直升机每分钟的转速仅为 450 到 500。

▲ Ingenuity 无人机和你的笔记本电脑差不多重，不知道里面承载了多少黑科技。

然而，无人机造出来只是成功了一半，重点是要确保它能在火星上飞起来。「除了设计，你还要考虑一个问题：『怎么测试？』因为之前没有人这么做过。」MiMi Aung 表示。

幸运的是，NASA 的 JPL 实验室配置了可以用于这项工作的巨大测试室。这是一个名为「空间模拟器」的巨大房间，它可以创造一个完全真空的环境，还可以模拟无人机在离开地球之后可能面临的各种极端气温。为了模拟火星大气，他们将空间模拟器抽成近乎真空的环境，然后再往里填二氧化碳，这样就得到了类似火星的大气密度。

除了大气，重力也是一个要解决的问题。为了模拟火星上的重力，工程人员给无人机系上了一根细绳。这根细绳及相关装置叫做Gravity Offload System，可以提供向上的拉力。

在最初的几次飞行测试中，研究小组发现，测试无人机的叶片总是不停地上下摆动。由于叶片比较细长，这种摆动的倾向也发生在地面直升机上，但是厚重的大气减弱了这种影响。

为了解决这个问题，他们把螺旋桨的叶片做得非常硬，比地球上同等大小的普通直升机要硬得多。

该团队在各种极端条件下进行了数十次飞行测试，最低测试温度达到零下 90 度。测试完成后，他们将无人机折叠起来，放入了毅力号探测器。

在毅力号到达火星并找到合适的位置之后，它会将 Ingenuity 放出来，让它独立完成任务。

▲ 毅力号将 Ingenuity 放到火星表面后扬长而去。

03

火星上的莱特兄弟时刻

「如果成功，它将与莱特兄弟飞行成功的一刻媲美。」MiMi Aung 说道。在毅力号登陆火星后 90 天远程自检的时间段里，她的团队有一个月的时间来试飞无人机。在未来，我们或许可以看到无人机在遥远的火星上搜寻宇航员，执行各种任务。

「Ingenuity」计划将完成四次短途飞行，每次起飞都会有更大更远的目标，计划内每次飞行时间不会超过 90 秒。但在短短的时间里，Ingenuity 可以飞到 4.6 米高，水平移动距离约 50 米。

由于地球和火星之间的通信有很长时间的延迟（单向 3-22 分钟），所有这些飞行都必须是自主的。设计团队将向无人机发送一个指令列表，由它自己执行所有步骤。在计划中，无人机会在飞行时捕捉图像，而毅力号也有可能拍下一些 Ingenuity 盘旋在空中的图像。

作为史上第一个在外星起飞的无人机，「Ingenuity」执行的任务主要是技术验证，证明飞行器在未来的火星任务中具有价值。

虽然刚刚发射上天，但工程师们已经开始着手设计更大的、重量在 20 公斤左右的无人机。Ingenuity的下一代将可以携带比现在更重要的科学载荷和更好的相机。「但在学会走路之前，你必须先尝试爬行。这就是 Ingenuity 的意义所在，」Balaram说道。「希望我们能够实现『莱特兄弟式』的成功时刻，在另一个星球上首次完成可控飞行。」

参考内容：

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

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