火星将迎来首架无人机

2020-10-22杨先碧

太空探索 2020年10期

关键词：美国宇航局火星车旋翼

文/ 杨先碧

▲ 降落在火星上的机智号无人机效果图

2020年7月30日，美国火星2020探测器从佛罗里达州升空。与以往的火星任务不同的是，这次不仅携带了毅力号火星车，而且还有一个“小家伙”跟随升空，它就是即将在火星上翱翔的首架无人机——“机智号”。

“机智号”有多大

美国最近的这次火星探测任务主要是将毅力号火星车送上火星，“机智号”不过是个“添头”，因此它一点也不起眼。这从对它们的投入就可以看出来：“毅力号”耗资24亿美元，而“机智号”仅仅0.85亿美元。

“毅力号”是一个“大家伙”，和一辆家用小轿车差不多大，其长3米、宽2.7米、高2.2米、净重1043千克。与“毅力号”相比，“机智号”小得可怜，净重只有1.8千克，旋翼叶片长度为1.2米。

“机智号”藏于“毅力号”的“腹部”，并随着“毅力号”一起飞往火星。“机智号”的设计符合一款航天器的标准，可以承受火箭发射过程中产生的重力和振动。当“毅力号”着陆火星之后，科学家会将“机智号”唤醒，令其从“毅力号”的“腹部”飞出来。

每次飞行任务完成后，“机智号”会再次回到“毅力号”的“怀抱”中。此时，“机智号”像是个袋鼠宝宝，静静地在“毅力号”的“腹部”沉睡。

“机智号”如何飞翔

火星大气环境十分恶劣：火星表面的大气压仅有地球的0.7%；火星大气中几乎没有氧气，95%是二氧化碳，火星大气的平均温度是-63℃。因此，想在火星上飞起来是件十分不容易的事情。当然，无人机在火星上飞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，无人机不需要花太大的“力气”来克服火星引力。

▲ “机智号”（前）与“毅力号”（后）个头对比

▲ “机智号”的结构示意图

▲ “机智号”模型

▲ 工作人员对“机智号”进行测试调整

为了让“机智号”能在火星上顺利飞行，科学家为它设计了先进的旋翼。这个旋翼包括2个转子、4个叶片，每个叶片长1.2米。这些叶片采用了碳纤维材料，薄如蝉翼，轻如鸿毛。同时，“机智号”配备有抗辐射系统，这可保证其在寒冷的火星环境中正常运行。

尽管“机智号”采用了先进的材料和设计，但它的飞行能力还是特别有限：最大飞行距离为300米，最大飞行高度只有5米。这是因为在火星上飞行十分费劲，旋翼要每分钟旋转2800次才能保障“机智号”的正常飞行。而在地球大气层中，旋翼旋转速度只需280次左右就可轻松且平稳地飞行。

“机智号”将在“毅力号”着陆后的60～90个火星日后，进行为期30天的飞行稳定性测试，预计最多飞行5次。由于旋翼功率很大，且“机智号”携带的充电式锂电池又不能太大，因此“机智号”每次的飞行时间很短，只有90秒。

为什么不给“机智号”配备更大的锂电池呢？这是因为如果携带的电池太大太重的话，“机智号”可能在火星上就飞不起来了。“机智号”携带有太阳能电池板（位于无人机的顶部），可利用阳光为锂电池充电。“机智号”飞行短短90秒，却需要一个火星日（24.62小时）的时间来充电。

▲ “机智号”离开“毅力号”执行飞行探测任务

“机智号”有什么用

目前，在火星上工作的有轨道飞行器和火星车。为什么科学家还要研制无人机呢？这是因为轨道飞行器离火星表面太远，难以进行观察到火星表面的细节。而火星车的视野有限，对地形的要求较高，很容易被坡坡坎坎、悬崖峭壁、石块碎砾等阻断去路。

如果火星上曾经演化出生命，在火星表面环境变得恶劣之后，它们可能撤退到地下洞穴中。阳光照射不到的火星洞穴可能是水和冰的储存之地，因此未来人类要进驻火星，洞穴可能是备选的居住地之一。无论出于什么样的考虑，火星洞穴都值得探索，而火星车和轨道飞行器都不太适合深入洞穴。

无人机则结合了轨道飞行器和火星车的优势，它既可以从空中俯瞰，又可以近地观察，还可以飞入火星洞穴、峡谷和陨石坑中。比如，“机智号”携带有小型航空电子设备、通信设备、成像设备，这样它可以按照地面科学家发布的指令进行飞行，飞到火星车难以抵达的区域。

“机智号”为示范性火星无人机，也就是说，它的主要用途不是进行科学考察，而是测试无人机究竟能不能在火星上飞起来。科学家根据其飞行结果和相关数据，对后续的火星无人机的设计进行改进，让以后的火星无人机能更有效地完成更多的科学考察任务。

“机智号”研制团队的首席科学家哈瓦德·格里普说：“莱特兄弟表明，飞行器在地球大气中的动力飞行是可行的，而我们的研究则将证明，飞行器在火星大气中也能飞起来。”

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