无人机真的能飞越火星吗？“火星版”莱特兄弟：NASA准备尝试一下
【无人机真的能飞越火星吗？“火星版”莱特兄弟：NASA准备尝试一下】
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“我把它看作是莱特兄弟在另一个星球上的时刻 。 ”喷气推进实验室的总工程师说 。
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就在刚刚 ， 美国宇航局（NASA）成功发射第四辆火星探测器"毅力号" ， 开始为期六个月的火星之旅 。 “毅力号”将启动一项任务 ， 收集火星上可能有远古生命痕迹的泥土样本 ， 以便在本世纪末的NASA另一项任务将这些样本送回地球 。 它还将携带一个不同于以往任何助推器的有效载荷进入太空：一架名为"匠心号"（Ingenuity）的小型自主直升机 。 明年春天的某个时候 ， 可能在4月份 ， "匠心号“将旋转起它的旋翼 ， 成为第一艘在火星上飞行的航天器 。
美国宇航局（NASA）喷气推进实验室火星直升机项目总工程师鲍勃·巴拉拉姆（BobBalaram）表示：“我认为这有点像莱特兄弟在另一个星球上的见证历史时刻 。 这是一项高风险、高回报的任务 ， 可以让我们去很多以前没能去过的地方 。 ”
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卫星善于对一颗行星进行全面的了解 ， 而漫游车则善于探索一个相对较小的地形进行细致的探索 。 对于介于两者之间的所有东西 ， 装在一个机载系统是十分有帮助的 。 一个漫游车在几年的时间里只能覆盖几十公里的范围 ， 但未来的外星无人机可以在一天内轻松覆盖 。 它们可以拍摄航拍照片 ， 帮助漫游车规划最佳路径 ， 或者收集样本 ， 并将其送回固定的着陆器进行分析 。 虽然现阶段的”匠心号“还不能做任何实际的科学工作 ， 但这是向外星飞机迈出的第一步 。
”匠心号“无人机的硬件——摄像机、通讯设备、航空电子设备——被塞在一个小立方体里 ， 它将被四条细长的腿悬挂在空中 ， 使它看起来有点像一只机器人昆虫 。 在顶部 ， 有两对转子叶片 ， 每对旋翼的直径为四英尺（约1.2米） ， 夹在“匠心号”的机体和一个矩形的太阳能电池板之间 。 整个装置的重量还不到一个完整的两升汽水瓶 ， 但它的耐用性足以承受它在发射、着陆以及在火星表面的日常生活中所面临的极端环境 。
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一旦"毅力号"抵达火星 ， 它将花几周时间检查其自身的系统 。 如果一切顺利的话 ， 它的第一项任务就是在布满岩石的Jezero陨石坑中找到一块空地 ， 放下它的“乘客” 。 (实际上 ， 它将会被抛下——直升机被固定在火星车的腹部 。 )一旦漫游车和直升机分道扬镳 ， 直升机维持正常的工作时间就屈指可数了 。 巴拉拉姆（Balaram）和他的团队将只有一个月的时间来进行最多5次试飞 。 "这次任务的全部目的是为了获得工程数据 ， 这样就可以按照我们自己的想法工作 ， 在火星上就不会出现任何意外 。 但是 ， 如果超过30天 ， 我们只会分心 。 "
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就像莱特兄弟在“小鹰号”上著名的飞行试验一样 ， 其在第一次飞行时 ， "匠心号“将只在空中停留几秒钟 。 这一飞行测试将是巴拉拉姆（Balaram）和他的机组人员在地球上进行的飞行测试的几乎完全相同的复制品 ， 这样他们就可以对直升机的性能与预期进行一个比较 。 如果一切顺利 ， “匠心号”将尝试更具挑战性的飞行曲线 。 这架直升机的设计飞行高度可达15英尺（约4.6米） ， 从起飞点出发最多可飞行3个足球场 。 飞行器的电池限制了它的飞行时间只有90秒 ， 但这对于它将在火星上进行的飞行测试类型来说已经足够了 。
对于巴拉拉姆（Balaram）来说 ， 第一次火星飞行已经是很久以前的事了 。 他在上世纪90年代末就酝酿了一个外星直升机的计划——尽管这个想法并不完全是新的——因为他看到了斯坦福大学航空航天工程师伊兰·克罗（IlanKroo）的一次会议演讲 ， 他在过去几年里一直在研究一种硬币大小的微型大气研究无人机 ， 称为“mesicopter” 。 正如克罗（Kroo）和他的团队从他们的研究中非常清楚地知道 ， 空气动力学在小范围内变得不稳定 ， 这使得控制飞行变得困难 。 "我们很快就意识到 ， 在地球上飞行器的中尺度设备与在火星上飞行大型飞行器非常相似 ， 至少在空气动力学上是如此 ， "克罗（Kroo）表示 。 "我们开始与鲍勃·巴拉拉姆(BobBalaram)和喷气推进实验室(JetPropulsionLab)合作 ， 将我们的微型旋翼设计放大 ， 以便在火星上飞行 。 "
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巴拉拉姆（Balaram）和克鲁（Kroo）在21世纪初向NASA提交了一份关于火星直升机的提案 ， 但尽管审查人员给予了积极的反馈 ， 但该提案从未获得资助 。 (巴拉拉姆（Balaram）指责该机构的预算削减 。 )这个想法又被搁置了15年 ， 直到NASA喷气推进实验室主任查尔斯·埃拉奇(CharlesElachi)要求巴拉拉姆（Balaram）重新设计提案 ， 并将其作为该机构最新火星车的一项长期试验 。 2018年 ， 美国宇航局官员宣布 ， 该款外星直升机将成为2020年火星任务的科学配角 。 到那时 ， 火星直升机的研发工作正在顺利进行 。
美国国家航空航天局(NASA)委托加州的一家无人机制造商AeroVironment为此次任务制造硬件 。 该公司在极端环境下操作自主飞机方面有丰富的经验 ， 而且与NASA也有一定的合作经历 。 2001年 ， 该公司与该机构签订了建造一架太阳能无人机的合同 ， 该无人机成功地在9.6万英尺（约2.9万米）的高空飞行；20年后 ， 这一纪录依然保持着 。 由于火星大气层稀薄 ， 地球上的高度相当于火星表面附近的飞行 。 但在火星上驾驶一架小型直升机 ， 让在地球上驾驶一架巨大的太阳能机翼看起来很容易 。
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"我们必须所有的东西保持超轻量级 ， 以使整个项目正常作用 。 "AeroVironment公司的航空机械工程师本·皮彭伯格（BenPipenberg）表示："我们真的试图从每一个组件中抽出每一毫克 ， 因为只有这样才能让重量低到足以在火星上飞行 ， 这是必要条件 。 "
“匠心号”无人机团队必须平衡严格的重量要求和对耐用性和性能的竞争性要求 。 尽管直升机的重量上限为4磅（约1.8kg） ， 但它必须有足够的强度来承受它在发射和降落过程中遇到的强大力量 。 它的硬件也必须满足任务的要求 ， 比如对于发动机来说 ， 需要它的旋翼桨叶旋转速度是普通直升机的五倍 ， 这样它才能产生足够的升力 。 对了 ， 它还需要一台足够强大的计算机 ， 以运行直升机将用于自主导航火星景观的机器视觉算法 。 这对一台比笔记本电脑还重的机器来说 ， 要求很高 。
"这推动了每一项技术学科的发展 。 但在此之中 ， 也有很多令人不安的时刻 。 "NASA喷气推进实验室“匠心号”创意项目经理米米·昂(MiMiAung)说 。
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为了减轻重量 ， AeroVironment公司的工程师们用泡沫制作了叶片 ， 并用碳纤维包裹起来 ， 在其他车身部件上使用了更为奇特的材料 ， 比如铍金属基复合材料 。 对于航空电子设备和电源 ， 该团队转而使用商用现成的部件 。 "匠心号"用普通的锂离子电池来存储电力 ， 它的计算机是高通骁龙处理器 ， 这种处理器在各种智能手机中都能找到 。 它们可能不像“毅力号”火星车上的硬件那样不容易出故障 ， 但它们比使用太空级硬件更便宜 ， 同时还能满足直升机的性能要求 。 由于“匠心号”对火星车的主要任务并不重要 ， 喷气推进实验室团队可以用一些智能手机组件上进行冒险尝试 。
还有一个挑战 ， 就是简单地弄清楚如何测试这个东西 。 "以前没有人这样做过 ， 所以团队必须发明一种方法来逐步测试火星漫游车 ， 而另一个团队则在同时发明直升机 ， "昂（Aung）表示："我们真的很偏执 ， 我们必须这样做 ， 因为我们面临着很大的时间压力 ， 需要快速取得进展 ， 以赶上火星漫游车的发射 。 所以我们真的不得不提前考虑 。 "
团队打造了两台"匠心号"原型无人机 ， 一台用于环境测试 ， 另一台用于飞行测试 。 环境测试是一门让航天器的生活变成地狱的艺术 。 “匠心号”的原型机暴露在极度寒冷的温度下 ， 以模拟火星上的条件 ， 它被放置在小型引爆点附近 ， 以确保它能够承受探测器上用来展开降落伞的炸药的爆炸冲击 ， 并且它用最强力和最糟糕的立体系统进行轰击 ， 以查看当暴露在火箭发射的极端振动中时 ， 飞机的所有螺母和螺栓是否能够保持紧密 。
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飞行测试是在一个直径25英尺（约7.62米）的巨大真空室中进行的 ， 真空室中充满了二氧化碳 ， 以复制火星大气的成分和稀薄程度 。 火星上的引力只有地球上的三分之一 ， 由于NASA还没有弄清楚如何控制引力本身 ， 该机构的工程师不得不通过其他方式进行补偿 ， 以创造一个真实的火星场景 。 对于“匠心号”无人机来说 ， 这意味着在飞行器上附加一个重力卸载系绳 。 该系绳看起来有点像钓鱼线 ， 可以动态调整 ， 以拉起直升机 ， 刚好可以模拟直升机飞行时重力降低的影响 。
就物理学而言 ， 在火星上驾驶直升机与在地球上驾驶直升机本质上是一样的:桨叶旋转并以足够快的速度向下拉动空气以产生升力 。 但是细节决定一切 ， 亲自动手的飞行实验帮助“匠心号”团队发现了在另一个星球上驾驶直升机的一些怪癖 。 在一次早期测试中 ， 一位AeroVironment公司的工程师发现 ， 他能够在一个开放的真空室中完美地驾驶“匠心号”原型机 。 但是 ， 一旦舱室被密封 ， 空气被抽出来模拟火星的环境 ， 直升机就开始表现不稳定 ， 变得难以飞行 。 "这时我们才意识到 ， 也许控制并不像我们想象的那样简单 ， "巴拉拉姆说 。
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在地球上 ， 由于桨叶的长度和旋翼周围的湍流空气动力学环境 ， 直升机的桨叶在旋转时有自然扇动的趋势 。 如果不是因为地球厚厚的大气层将振动阻尼到一个可控制的程度 ， 这种拍打的反馈将使直升机几乎不可能控制 。 但正如AeroVironment工程师所发现的 ， 火星的大气层太过于稀薄 ， 不可能产生这种拍打阻尼效应果 ， 而且当襟翼在飞机上产生涟漪时 ， 会对飞机的控制造成严重破坏 。 巴拉拉姆（Balaram）认为:“这让我们所有的NASA直升机专家都非常兴奋 ， 因为对他们来说 ， 这就像是用全新的眼光看待一切 。 ”为了弥补这一影响 ， “匠心号”团队重建了叶片 ， 使其更加坚硬 。
这很大程度上取决于飞行测试结果的准确性 。 与已经记录了数小时飞行时间的“匠心号”原型机不同 ， 这架飞往火星的直升机只在星球上的空中停留几分钟 。 巴拉拉姆（Balaram）说:“我们不想在测试过程中磨损系统 。 ”等到NASA在火星表面抛弃“匠心号”的时候 ， 这架无畏的小直升机只飞了不到30分钟 。
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巴拉拉姆（Balaram）说 ， 美国国家航空航天局（NASA）已经在研制下一代外星直升机 ， 而在飞行试验中由“匠心号”收集的工程数据将直接影响到它们的发展 。 这些未来的直升机看起来可能与以往的“匠心号”有很大不同——例如 ， NASA正在研究的一种设计有六个旋翼——而且它们肯定会更大 。
但是 ， 在另一个行星上的首次科学飞行可能不会发生在火星上 。 2025年 ， 美国宇航局（NASA）计划发射一架名为“蜻蜓”(Dragonfly)的小型核动力四轴飞行器 ， 前往土星最大的卫星土卫六(Titan)周围寻找生命迹象 。 “蜻蜓号”将比“匠心号”寿命长得多——预计它将花两年时间在土卫六表面飞行——而且它将有2英里（约3.2km）的高度范围 。 土卫六通常被认为是太阳系中最容易飞行的地方 ， 因为它的大气极其稠密 ， 重力也很低 。 巴拉拉姆（Balaram）认为:“如果你不介意寒冷 ， 你可以在身上系上翅膀 ， 自己飞过去 。 不过现在 ， 我们只能凑合着用一架直升机 。 “
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撰写：GolevkaTech
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