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人类在火星实现地外直升机首飞:旋翼叶片每分钟2500转

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  4月19日,NASA在社交媒体上宣布,机智号火星直升机完成首飞。这是动力飞机在第一次在另一个星球上飞行,其首飞意义不亚于1903年莱特兄弟在地球上试飞第一架飞机。

  当收到来自毅力号火星车传来的机智号视频数据,NASA喷气推进实验室团队欢呼雀跃。

  

  毅力号2月18日着陆火星,将对耶泽罗陨石坑开展长达两年的探测任务。而火星直升机机智号此前一直栖身在毅力号的腹部。

  机智号是一架小型太阳能直升机,体重只有1.8千克,造价却高达8500万美元。它是第一架被送往另一个星球的无人机,携带了两台相机来记录飞行,毅力号也会对它进行观测。

  NASA表示,地球上一架直升机的螺旋桨叶片平均每分钟旋转400-500转。而机智号的叶片以每分钟2500转的速度旋转。

  

  关于机智号火星车,你需要知道的7件事:

  1、 机智号的测试飞行是一次试验性飞行。

  机智号不携带科学仪器,目标是演示在火星极度稀薄的大气中飞行,寻求在有限范围内首次测试一种新能力。此前的一些突破性技术演示包括1996年的探路者号火星车、1997年旅居者号火星车以及2018年飞越火星的立方星火星立方体一号(MarCO)。

  2、 机智号首次尝试在另一个星球上动力控制飞行,难度很高。

  机智号直升机的首飞意义不亚于1903年莱特兄弟在地球上试飞第一架飞机。它计划在30个火星日(31个地球日)里尝试测试飞行5次。

  耶泽罗陨石坑的夜间温度可低至零下90摄氏度,当机智号抵达火星,其首要目标之一是在火星寒冷的夜晚生存下来。

  火星大气稀薄,只有地球大气层密度的1%。因此机智号被设计得很轻,旋翼叶片很大,旋转很快。

  3、 机智号依靠毅力号火星车抵达火星,并在火星表面开展操作。

  机智号栖身于毅力号的腹部完成4.71亿公里的旅程。在前往火星的途中,毅力号的电力系统定期给机智号的电池充电。

  机智号到达火星表面依靠的是毅力号的进入、下降和着陆系统。该系统配有超音速降落伞、可自动避免危险的新“大脑”以及被称为“空中起重机”的机动部件。在任何太空机构登陆火星的尝试中,只有大约50%是成功的。

  4月初,机智号从毅力号火星车肚皮下脱离,降落10厘米,着陆在火星“停机坪”。在直升机的调试和飞行测试过程中,毅力号协助与地球间的通信。

  4、 机智号是个聪明的小机器人。

  通信时延不可避免,这意味着直到机智号飞行开始很久之后,NASA喷气推进实验室才能控制机智号,查看每次飞行的工程数据或图像。因此机智号需要根据地球上的工程师设定的参数自主决定。

  例如,机智号拥有一个可编程的恒温调节器,可以在火星上保持温暖。在飞行过程中,机智号会分析传感器数据和地形图像,确保保持在项目工程师定下的飞行路径上。

  5、 机智号已经是个工程学杰作。

  人类花了几个世纪的时间以及大量的试验和错误才弄清楚怎样在地球上开飞机。6年以来,工程师团队证明了构建超轻量级的直升机以在火星稀薄的大气中产生足够升力,从火星表面起飞,并在充满挑战的火星环境中自动运转和生存是可能的。这些成就已经突破了飞行极限。

  机智号已经在发射前后的动态环境中生存下来,并证明可以在太空中为现成的电池充电。飞越火星表面将证实在特殊空间模拟室中进行的飞行测试结果,并为在火星上操作直升机提供真知灼见。

  6、 机智号一步一打卡。

  在2021年春天尝试起飞和降落之前,机智号有一连串里程碑要打卡,每一步都值得庆祝。这些节点包括:火星车从卡纳维拉尔角发射升空,飞向火星并着陆;从毅力号的腹部脱离,安全落到火星表面;在火星寒夜里自主保暖;用太阳能电池自主充电;通过毅力号上的火星直升机基站成功通信;如果一次试飞成功,机智号还会开展更多试飞。

  7、 如果机智号取得成功,未来火星探测可以提供空中视角。

  机智号旨在展示在火星大气中飞行所需的技术。如果成功,这些技术或能使其他先进的机器人飞行器成为未来探索火星的一部分。

  未来直升机在火星上的可能用途包括:提供一个独特的视角,这是目前轨道飞行器无法提供的,也不是地面上的火星车和着陆器所能提供的;提供高清图像和侦察;通往火星车难以到达的地形。

  未来的直升机甚至可以从一个地点飞到另一个地点过程中携带轻型但至关重要的有效载荷。

  延伸阅读

  人类首次!直升机在火星成功起飞

  中国航天报微信公号4月19日消息,北京时间19日15点30分,美国毅力号火星车携带的机智号直升机成功在火星表面起飞,直升机在距火星表面3米的高度上完成了30秒悬停,随后按照降落程序安全着陆,由此成为人类历史上首架在另一个星球起飞的直升机,开创了无人机的行星探索新时代。那么,火星直升机与地球上使用的直升机相比,有哪些特殊之处呢?

  

  毅力号火星车摄像头拍摄机智号直升机起飞

  毅力号火星车摄像头拍摄机智号直升机起飞(00:13)

  补齐行星探测重要一环

  目前,人类对行星的探测手段主要有环绕探测、原位探测和巡视探测三种。

  美国宇航局工作人员庆祝机智号直升机起飞成功(00:55)

  环绕探测是通过环绕在月球、火星等轨道上的航天器,利用遥感探测的手段来完成,通俗地讲,就是给行星拍照来研究该行星的情况。由于航天器距离被探测行星较远,受像素影响,很难得到丰富的数据。

  原位探测则是利用着陆在行星表面的航天器,对着陆位置及周围的岩石、大气或生物信息开展研究。

  

  毅力号火星车释放保护机智号直升机的罩盖

  

  毅力号火星车释放机智号直升机过程

  

  毅力号火星车释放机智号直升机过程

  巡视探测是指利用可以在行星表面移动的航天器进行探测,它的探测范围比原位探测有所扩展,得到的数据更全面。不管是原位探测还是巡视探测,都可以理解为是对行星的贴近观测。如果用拍照来比喻就是给行星特写,虽然探测细节很丰富,但视野较窄。

  如果从高度上来定义,环绕探测属于高位探测,原位探测和巡视探测属于低位探测,而利用飞行器在距离行星表面一定高度内的巡航探测,则可认为是中位探测。

  此次美国宇航局研制的机智号直升机在火星上实现首飞,填补了行星中位探测的空白,对火星探测以及对整个行星探测都有着重大意义,意味着补齐了人类行星探测高度的重要一环。

  为低位探测充当开路先锋

  相较于高位探测和低位探测,行星中位探测有着独特优势。中位探测在连续探测时间、探测范围和探测精度这三个因素间,能够达到更好的平衡。

  

  毅力号火星车与机智号直升机

  在火星大气层内,由于飞行器的飞行高度较低,只需搭载重量不大的探测载荷就能实现精度较高的“遥感”。同时,飞行器在空中的移动速度比地面巡视器更快,能在短时间内完成对一片区域的全面探测,并可以重访有重要现象发生的地方。

  此外,飞行器探测受地形影响较少,能够到达地面巡视器所无法到达的区域,因此,探测任务可以更灵活。

  飞行器还可以充当“侦察兵”角色,对火星地面巡视器前方的地形地貌和可能发生的现象进行先行探测,为科研人员决定地面巡视器下一步该朝哪个方向移动提供关键数据。

  

  飞行器可以充当“侦察兵”角色

  从人类航天发展的历程来看,行星探测最先是进行环绕探测,即高位探测,然后通过分析相关遥感数据,据此从行星表面选择合适的着陆区域让航天器进行着陆,然后再开展原位探测和巡视探测,即低位探测。

  至于中位探测迟迟未开展,是由于让飞行器在非地球的行星上飞行极其困难。以火星为例,在无人机技术成熟前,在地球大气层内巡航的飞行器都是有人驾驶,因此在相当长的一段时间里,利用飞行器探测火星的想法只好束之高阁。

  近年来,随着无人机技术的快速发展,使得在火星大气层内进行巡航探测成为了可能。

  需要克服火星稀薄大气

  美国机智号火星直升机于2013年开始研制,重量为1.8公斤,耗资8500万美元。

  

  停放在火星表面的机智号直升机

  在无人机选型上,美国科研人员选择了直升机而不是固定翼飞机,主要是考虑到火星表面没有机场跑道供固定翼飞机起降。此外,直升机可以实现空中悬停,大大方便了对火星表面的探测。

  研制火星直升机并不是一件容易的事情,火星的大气密度只有地球大气密度的1/100,因此,直升机必须拥有更强劲的升力装置才能克服火星稀薄大气的限制。

  直升机之所以能够起飞,是借助它的旋翼在一定密度大气中产生的升力。如果空气的密度过低,要么提升直升机旋翼的转速,要么加大旋翼面积,再或者就是减小飞机自身重量,否则直升机将难以飞起来。

  要想让直升机在火星表面飞起来,旋翼转速至少要达到2400转/分钟,才可以提供足够的升力让直升机在空中飞行。

  例如,美国为让机智号直升机在火星的空气环境中飞行,科研人员为其设计了超轻的紧凑型部件,并安装上了能产生足够升力的转子。据悉,机智号直升机旋翼叶片的转速是传统直升机的5倍。

  

  停放在火星表面的机智号直升机

  另外,火星直升机面对的挑战不仅包括火星上稀薄的大气,还必须要将系统质量做到非常小,才不至于超越直升机的升力承载极限,这就对直升机的材料和动力系统提出了更苛刻的要求。

  此外,火星直升机必须能够自主飞行并维持稳定状态,并且系统必须能够在天然粗糙的岩石地表反复起降,这对直升机的飞控系统是一个严峻考验。同时,火星直升机必须能够适应火星上包括剧烈的沙暴和气旋等在内的极端环境条件。

  火星直升机的出现是行星探测领域的重要契机,有航天专家表示,飞行器在“另一个星球”飞行是可以和莱特兄弟于1903年在地球上驾驶飞机,实现人类首次飞行相提并论的“历史性”事件。

  

  莱特兄弟发明的飞机飞行成功

  此次机智号直升机在火星表面飞行成功,对人类探测行星的能力起到了很大帮助,相关技术的研制将对飞行器设计、材料、动力、自动驾驶、中继通信领域产生巨大的牵引和推动作用。

  未来,行星无人固定翼飞行器、有人驾驶飞行器都可能会以此为基础得到蓬勃发展。

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