首架無人機(jī)即將登陸火星

楊先碧

2020年7月30日，美國(guó)的“毅力號(hào)”火星車從佛羅里達(dá)州升空。與以往的火星任務(wù)不同的是，這次有一個(gè)“小家伙”跟隨升空，它就是即將在火星上翱翔的首架無人機(jī)——“機(jī)智號(hào)”。

“機(jī)智號(hào)”有多大

美國(guó)本次火星探索任務(wù)主要是將“毅力號(hào)”送上火星，而“機(jī)智號(hào)”不過是個(gè)“添頭”，一點(diǎn)也不起眼。這從對(duì)它們的投入就可以看出：“毅力號(hào)”耗資24億美元，而“機(jī)智號(hào)”僅耗資0.85億美元。

“毅力號(hào)”火星車是一個(gè)“大家伙”，其長(zhǎng)度為3米，寬度為2.7米，高度為2.2米，凈質(zhì)量為1043千克。與“毅力號(hào)”相比，“機(jī)智號(hào)”小得可憐，其凈質(zhì)量為1.8千克，旋翼葉片長(zhǎng)度為1.2米。

“機(jī)智號(hào)”巧妙地藏身于“毅力號(hào)”火星車的“腹部”，隨著“毅力號(hào)”一起飛往火星?！皺C(jī)智號(hào)”的設(shè)計(jì)符合一款航天器的標(biāo)準(zhǔn)，可以承受火箭發(fā)射過程中產(chǎn)生的重力和振動(dòng)。當(dāng)“毅力號(hào)”著陸火星之后，科學(xué)家會(huì)將“機(jī)智號(hào)”喚醒，令其從“毅力號(hào)”的“腹部”飛出來。

每次飛行任務(wù)完成后，“機(jī)智號(hào)”會(huì)再次回到“毅力號(hào)”的“懷抱”。此時(shí)，“機(jī)智號(hào)”就像是個(gè)袋鼠寶寶，靜靜地呆在“毅力號(hào)”火星車的“腹部”沉睡。

“機(jī)智號(hào)”如何飛翔

研究數(shù)據(jù)表明，火星上的大氣環(huán)境十分惡劣?；鹦潜砻娴拇髿鈮簝H有地球上的0.7%，火星大氣中95%是二氧化碳，火星大氣的平均溫度是-63℃。因此，無人機(jī)要想在火星上飛起來，是件十分不容易的事情。當(dāng)然，無人機(jī)在火星上飛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1/3，無人機(jī)不需要花太大的“力氣”來克服火星引力。

為了“機(jī)智號(hào)”在火星上順利飛行，科學(xué)家為它設(shè)計(jì)了先進(jìn)的旋翼。這個(gè)旋翼包括2個(gè)轉(zhuǎn)子和4個(gè)長(zhǎng)1.2米的葉片。這些葉片采用了碳纖維材料，薄如蟬翼，輕如鴻毛。同時(shí)，“機(jī)智號(hào)”配備有抗輻射系統(tǒng)，這可保證其在寒冷的火星環(huán)境中正常運(yùn)行。

盡管“機(jī)智號(hào)”采用了先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，但是它的飛行能力也特別有限：最大飛行距離為300米，最大飛行高度只有5米。這是因?yàn)榛鹦巧系娘w行十分費(fèi)勁，旋翼要旋轉(zhuǎn)2800次/分鐘才能保障“機(jī)智號(hào)”的正常飛行。而在地球大氣層中，旋翼旋轉(zhuǎn)速度只需280次/分鐘左右就可輕松且平穩(wěn)地飛行。

“機(jī)智號(hào)”將在“毅力號(hào)”著陸后的60～90個(gè)火星日后，進(jìn)行為期30天的飛行穩(wěn)定性測(cè)試，預(yù)計(jì)最多飛行5次。由于旋翼功率很大，而“機(jī)智號(hào)”攜帶的充電式鋰電池較小，因此“機(jī)智號(hào)”每次的飛行時(shí)間都很短，只有90秒。

那么，為何不給“機(jī)智號(hào)”配備更大的鋰電池呢？因?yàn)槿绻麛y帶的電池太大、太重，“機(jī)智號(hào)”將無法實(shí)現(xiàn)火星飛行任務(wù)?！皺C(jī)智號(hào)”攜帶有太陽能電池板（位于無人機(jī)的頂部），可利用陽光為鋰電池充電。但“機(jī)智號(hào)”飛行短短90秒，卻需要一個(gè)火星日（24.62小時(shí)）的時(shí)間來充電。

“機(jī)智號(hào)”的任務(wù)

目前，火星已有軌道飛行器和火星車?？茖W(xué)家為何還要研制無人機(jī)呢？這是因?yàn)檐壍里w行器離火星表面太遠(yuǎn)，難以觀察到火星表面的細(xì)節(jié);而火星車的視野有限，對(duì)地形的要求較高，很容易被坡坡坎坎、懸崖峭壁、石塊碎礫等阻斷去路。

如果火星上曾經(jīng)存在生命，那么在火星表面環(huán)境變得惡劣之后，它們可能撤退到地下洞穴中。陽光照射不到的火星洞穴可能是水和冰的儲(chǔ)存之地，因此未來人類要進(jìn)駐火星，洞穴可能是備選的居住地之一。無論出于怎樣的考慮，火星洞穴都值得探索，而火星車和軌道飛行器都不太適合深入洞穴。

而無人機(jī)結(jié)合了軌道飛行器和火星車的優(yōu)勢(shì)，既可以從空中俯瞰，又可以近地觀察，還可以飛入火星洞穴、峽谷和隕石坑中。比如，“機(jī)智號(hào)”攜帶有小型航空電子設(shè)備、通信設(shè)備和成像設(shè)備，這樣它可以按照地面科學(xué)家發(fā)布的指令飛到火星車難以抵達(dá)的區(qū)域。

“機(jī)智號(hào)”為示范性火星無人機(jī)，也就是說，它的主要用途不是進(jìn)行科學(xué)考察，而是測(cè)試無人機(jī)究竟能不能在火星上飛起來?？茖W(xué)家根據(jù)其飛行結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)后續(xù)的火星無人機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，讓以后的火星無人機(jī)能更有效地完成更多的科考任務(wù)。

“機(jī)智號(hào)”研制團(tuán)隊(duì)的首席科學(xué)家哈瓦德·格里普認(rèn)為：“萊特兄弟表明，飛行器在地球大氣中的動(dòng)力飛行是可行的。而我們的研究則將證明，飛行器在火星大氣中也能飛起來?！被蛟S到2021年2月，我們就可以欣賞到“機(jī)智號(hào)”從低空拍攝到的火星高清視頻了。讓我們一起來期待吧！

“機(jī)智號(hào)”名稱的由來

2020年4月，美國(guó)宇航局宣布，將首架火星無人機(jī)命名為“機(jī)智號(hào)”。“機(jī)智號(hào)”這個(gè)名字來自美國(guó)亞拉巴馬州諾斯波特的高中生瓦妮扎·魯帕尼的提議。

此外，美國(guó)宇航局還曾邀請(qǐng)全美青少年參與為2020年發(fā)射的火星車命名的比賽，以激發(fā)他們對(duì)航天任務(wù)的興趣。全美共有2.8萬名中小學(xué)生投稿。2020年3月，美國(guó)宇航局宣布選中“毅力”一詞作為火星車的名稱。

當(dāng)美國(guó)宇航局準(zhǔn)備為首架火星無人機(jī)命名時(shí)，他們并沒有再舉辦命名選拔賽，而是從火星車的優(yōu)秀名稱中挑選了一個(gè)。這就是“機(jī)智號(hào)”名稱的由來，它是由美國(guó)宇航局局長(zhǎng)吉姆·布里登斯廷挑選出來的。

那么，為什么會(huì)提出“機(jī)智號(hào)”這個(gè)名字呢？瓦妮扎·魯帕尼認(rèn)為：“對(duì)于希望努力克服星際旅行挑戰(zhàn)的人來說，聰明才智讓我們所有人體驗(yàn)到太空探索的奇觀，聰明才智也能讓人們完成令人驚嘆的事情。”