最近幾天，以火星為目標(biāo)的探測(cè)器紛紛啟程。

 

       7月30日，在美國(guó)宇航局 NASA 成功發(fā)射的 MARS 2020 任務(wù)中，「宇宙神 5」型運(yùn)載火箭將最新一代火星探測(cè)器毅力號(hào) （Perseverance）送上軌道。

 

       毅力號(hào)是有史以來(lái)最大、最為復(fù)雜的火星探測(cè)系統(tǒng)，這臺(tái)次世代火星車造價(jià)高達(dá) 27 億美元，總重 1025 千克。它是自阿聯(lián)酋希望號(hào)、中國(guó)天問(wèn)一號(hào)之后，人類在這個(gè)「火星季」發(fā)射的第三個(gè)探測(cè)器。

 

       如果一切順利的話，在7個(gè)月后，它將開始采集火星巖石標(biāo)本，并將其封裝后埋在特定位置，等待 NASA 取回地球。毅力號(hào)還要尋找古代外星生命的跡象，并首次使用麥克風(fēng)捕獲火星的聲音。

 

       除此以外，毅力號(hào)最讓人感興趣的實(shí)驗(yàn)還有：在紅色星球上放飛人類第一架外星無(wú)人機(jī)——Ingenuity。

 

 

       按照計(jì)劃，在經(jīng)過(guò) 5 億公里的路程之后，毅力號(hào)將于 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(jìn)入火星大氣層后，它將張開一個(gè)降落傘，隨后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(hào)不同，毅力號(hào)有一個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，可以避開巨大的巖石并把自己引導(dǎo)到安全的位置。

 

       在火星上，毅力號(hào)將至少花費(fèi)一個(gè)火星年（約 687 個(gè)地球日）的時(shí)間對(duì)附近的區(qū)域進(jìn)行探索。

 

 

       Ingenuity：火星車派出的偵察兵

 

       使用空間探測(cè)器進(jìn)行火星探測(cè)的歷史幾乎貫穿整個(gè)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范圍的火星圖像，但分辨率不夠高；發(fā)射到火星表面的火星車拍到的圖像分辨率很高，但移動(dòng)距離有限，而且很多地方不適合火星車進(jìn)入。

 

       之前，已經(jīng)有一些人類制造的「火星車」登陸過(guò)火星，但是為了適應(yīng)火星表面平均 - 63 攝氏度，接近外太空的殘酷環(huán)境，工程師們會(huì)讓它們行駛得非常緩慢。人們最為熟知的好奇號(hào)迄今為止已運(yùn)行了八年，才累積行駛了 22 公里，平均一下還沒有蝸牛爬得快。

 

       于是，NASA 的研究人員就想了一個(gè)辦法來(lái)擴(kuò)展火星車的視野——無(wú)人機(jī)。

 

 

       這架無(wú)人機(jī)重量?jī)H為1.8公斤，裝在探測(cè)器的腹部，將在火星的惡劣環(huán)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?qū)㈤_辟一條新的太陽(yáng)系探索之路。

 

       「此次飛行測(cè)試的成功將為人類的太空探索添加一個(gè)新的維度，」Ingenuity 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 MiMi Aung 表示。

 

       NASA 黑科技：只有 1% 的大氣也能飛

 

       給火星車配一個(gè)無(wú)人機(jī)，其實(shí)這個(gè)點(diǎn)子不難想到，真正的難點(diǎn)在于：怎么讓它飛起來(lái)？

 

 

       火星表面的重力大約只有地球的 1/3 強(qiáng)（38%），看起來(lái)似乎很容易起飛，但有一點(diǎn)非常致命：火星大氣的密度只有地球的 1%。由于幾乎沒有空氣流動(dòng)，在火星上獲得起飛所需的升力是非常困難的，因此，根據(jù)地球空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的飛行器在火星上都飛不起來(lái)。

 

       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(zhuǎn)速要非常快。但螺旋槳也不能轉(zhuǎn)太快，因?yàn)殡S著速度的增加，風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。

 

       「沒有直升機(jī)在這種條件下飛起來(lái)過(guò)——這大概相當(dāng)于在地球3萬(wàn)米海拔上起飛，」NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)組成員、火星無(wú)人機(jī)項(xiàng)目首席工程師Bob Balaram 說(shuō)道�！嘎菪龢�不能越轉(zhuǎn)越快，因?yàn)樗�的尖端�?huì)接近音速，接下來(lái)就是超音速。我們并不想讓它達(dá)到音速，因?yàn)檫@會(huì)加劇湍流效應(yīng)�！�

 

       通常在移動(dòng)速度接近音速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一股強(qiáng)大的阻力，使飛行器產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，這個(gè)現(xiàn)象俗稱為音障。即使是直升機(jī)旋翼的翼尖出現(xiàn)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(hào)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還設(shè)定了無(wú)人機(jī)的尺寸，確定該探測(cè)器可以容納一個(gè)葉片直徑 1.2 米的微型無(wú)人機(jī)。

 

       在弄清楚這些限制之后，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的工程師開始著手設(shè)計(jì)第一架火星無(wú)人機(jī)。

 

       他們將無(wú)人機(jī)的重量限制在1.8千克左右，這得益于輕量級(jí)電子設(shè)備的進(jìn)步。如果放在幾十年前，輕量級(jí)電子計(jì)算機(jī)、傳感器、攝像機(jī)、陀螺儀等都還沒有被發(fā)明出來(lái)，造這么一個(gè)輕量級(jí)無(wú)人機(jī)幾乎是不可能完成的任務(wù)。

 

       無(wú)人機(jī)的最終設(shè)計(jì)看起來(lái)像一只戴著復(fù)雜頭飾的長(zhǎng)腿蜘蛛。它的主體是一個(gè)盒子，盒子上伸出四條腿，使機(jī)身能夠直立。

 

       無(wú)人機(jī)的頂部安裝了四個(gè)碳纖維葉片，還有一個(gè)太陽(yáng)能電池板。這些葉片的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘 2400 轉(zhuǎn)。對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，這是極快的轉(zhuǎn)速。相比之下，一架傳統(tǒng)直升機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速僅為 450 到 500。