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|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


机器之心报道
编辑：张倩、泽南
「火星无人机」：NASA这次发射的 ， 是最具野心的探测计划 。
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 。
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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 。
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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 。
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 。
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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？
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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 。
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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 。
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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 。
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毅力号将 Ingenuity 放到火星表面后扬长而去 。
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 。
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「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 。
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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
【|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】https://www.theverge.com/2020/7/29/21339544/nasa-mars-helicopter-ingenuity-perseverance-rover-flight-date


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