明年,NASA直升机将翱翔在火星上空

[摘要]独创号将与火星探测器毅力号(Perseverance)同时前往火星,后者将是NASA派遣到这颗红色星球上的第五辆机械[jī xiè]人探测车。这项使命[shǐ mìng]妄想[wàng xiǎng][tān tú][qǐ tú]于7月20日发射,也是今年前往火星的三项使命[shǐ mìng]之一。

图:NASA直升机在火星上试飞的渲染图

腾讯科技讯 6月24日,据外媒如实报道,美利坚合众国宇航局(NASA)的航天器即将在另一个星球上升空。作为今年炎天[yán tiān]举办的火星探索使命[shǐ mìng]的一部门[bù mén],NASA将执行[zhí háng]做些以前从未做过的事情:操控直升机穿偏激[piān jī]星稀薄的大气层。若是[ruò shì]乐成[lè chéng],这架名为独创号(Ingenuity)的小型直升机将为未来的机械[jī xiè]人探测器缔造[dì zào]鸟瞰火星和太阳系其他星球的新途径。

NASA喷气推进实验室火星直升机项目司理[sī lǐ]米米·昂(Mimi Aung)说:“这与莱特兄弟首次驾驶飞机举办航行[háng háng]的时刻很是[hěn shì]相似,只是这次执行[zhí háng]是在另一个星球上举办。”

在火星上航行[háng háng]面临着诸多挑战,由于[yóu yú]那里没有太多的空气可以发生[fā shēng]足够升力。在火星外貌[wài mào],大气层的密度只有地球的1/100,但较小的重力(约为地球1/3)有助于升空。不外[bú wài],从火星外貌[wài mào]腾飞[téng fēi]相当于在地球上30480米的高度航行[háng háng]。地球上从来没有直升机飞得那么高,这个海拔也是喷气式客机通常航行[háng háng]高度的两倍多。

独创号将与火星探测器毅力号(Perseverance)同时前往火星,后者将是NASA派遣到这颗红色星球上的第五辆机械[jī xiè]人探测车。这项使命[shǐ mìng]妄想[wàng xiǎng][tān tú][qǐ tú]于7月20日发射,也是今年前往火星的三项使命[shǐ mìng]之一。

在上周的新闻宣布[xuān bù][gōng bù]会上,NASA局长吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)在预览毅力使命[shǐ mìng]时,特殊[tè shū]强调了独创号的主要[zhǔ yào]性。他说:“我要告诉你们,作为一名NASA治理[zhì lǐ]职员[zhí yuán],最让我兴奋的事情是准备寓目[yù mù]直升机在另一个天下[tiān xià]上航行[háng háng]。”

在1997年之前,所有被送到火星外貌[wài mào]的航天器都是静止的着陆器。直到探路者号(Pathfinder)使命[shǐ mìng]包罗[bāo luó]了对NASA来说具有革命性的对象:一个轮式机械[jī xiè]人,这辆名为旅居者号(Sojourner)的探测车约莫[yuē mò]有文件柜巨细[jù xì]。继这一乐成[lè chéng]之后,两辆高尔夫球车巨细[jù xì]的探测车勇气号和机缘[jī yuán]号于2004年抵达火星,然后好奇号在2012年抵达那里。

对于在另一个星球上的机械[jī xiè]人探测器来说,四处移动的能力为它们提供了重大[zhòng dà][páng dà]的优势。行星科学家不再拘泥于盯着一个地方。探测车可以穿越这片风物[fēng wù],停下来近距离视察[shì chá]有趣的岩石。这种自由是获得如今对早期火星领略的要害[yào hài],即这颗现在又冷又干的星球曾经是湿润[shī rùn]的,至少拥有些可能适合生命栖身[qī shēn]的情形[qíng xíng][qíng kuàng]。

独创号本质上是旅居者号的空中版本,它展示了一种新手艺[shǒu yì],这种手艺[shǒu yì]可能会在以后的使命[shǐ mìng]中获得[huò dé]更普遍[pǔ biàn]的应用。独创号的主体部门[bù mén]约莫[yuē mò]与垒球巨细[jù xì]相当,有四条细长的腿伸出。两组叶片(长约10厘米)以相反的偏向[piān xiàng]旋转。它只有1.8公斤重,高约46厘米。

这款火星直升机的总工程师鲍勃·巴拉拉姆(Bob Balaram)早在20世纪90年月[nián yuè]就最先[zuì xiān]与同事相助[xiàng zhù][hù zhù]研究这个想法。他说:“这种手艺[shǒu yì]并没有真正施展[shī zhǎn]作用,我们确实做了些小测试,但其后它被弃捐[qì juān]了,直到约莫[yuē mò]六七年前重新启动。”

巴拉拉姆说,时任喷气推进实验室主任的查尔斯·埃拉奇(Charles Elachi)对此发生[fā shēng]了兴趣,并为进一步研究提供了资金。他说:“这让我们继续前进。”

“做以前从未做过的事情”是一项工程挑战,这吸引了米米·昂,她于2014年年中加入,担任项目司理[sī lǐ]。米米·昂说:“约莫[yuē mò]20年前,这是不行[bú háng]能的。真的,由于[yóu yú]数学上的缘故原由[yuán gù yuán yóu]。”在加入火星项目之前,她是喷气推进实验室自主系统部门的副司理[sī lǐ]。

但米米·昂说,有些手艺[shǒu yì]前进[qián jìn],好比[hǎo bǐ]电子产物[chǎn wù]的微型化、储存更多能量的电池,以及可以做成轻质叶片的原料,终于让火星航行[háng háng]器的梦想在手艺[shǒu yì]上成为了可能。而将这种可能性转化为一架正常成果的直升机花了研究职员[zhí yuán]数年时间举办重复[zhòng fù]试验。

到2014年底,工程师们已经制作[zhì zuò]出小型原型。这架微型直升机被放置在一个房间里,那里的大部门[bù mén]空气被吸出,以复制火星大气的密度。由于[yóu yú]还没有编写直升机航行[háng háng]控制软件,团队中的一名成员试图用哄骗杆来指导[zhǐ dǎo]其运动,就像业余喜爱者驾驶无人机一样。然而当桨叶旋转时,虽然直升机升起了,但随后连忙[lián máng][lì kè]失去了控制。

向导[xiàng dǎo]空气动力学和实现可控航行[háng háng]事变的工程师哈瓦德·格里普(Havard Grip)说:“上述执行[zhí háng]做了我们其时[qí shí]必须做的事情,那就是让着实[zhe shí][shí zài]际可以脱离[tuō lí]地面。因此,从这方面来说,这是一次乐成[lè chéng]的实验。但很显着[xiǎn zhe],要相识[xiàng shí]这种对象的行为方式,尚有[shàng yǒu][lìng yǒu]许多[xǔ duō]事变要做。”

巴拉拉姆和格里普体现[tǐ xiàn][biǎo xiàn],其中一个问题是,叶片在以每分钟2000到3000转的速率[sù lǜ]旋转时会上下弹跳。在地球上,空气对叶片的压力会使弹跳最小化。但在火星稀薄的大气中,弹跳造成了不稳固[wěn gù],使得直升机的运动很难控制。解决方案原来是让叶片稍微坚硬一些,但这会增添[zēng tiān]重量。

格里普说:“我以为[yǐ wéi],在早期找到一个合适的设计是最大的问题之一。”最终,他们找到相识[xiàng shí]决方案。他说:“当你举起这些叶片中的一个时,若是[ruò shì]你把它拿在手里,你会以为[yǐ wéi]你要举起某些实质性的对象,而且它像空气一样轻,同时又极其坚硬,这是相合时人震惊的。”

这项工程涉及一系列折衷方案,以顺应[shùn yīng]直升机尺寸、重量和电池电量的限制。与此同时,格里普带头开发了谋略机算法,这些算法将能够足够快地哄骗和调整直升机的航行[háng háng],以自动对火星上不绝转变[zhuǎn biàn]的大气条件做出反映[fǎn yìng]。

2016年5月,下一架直升机原型准备停当[tíng dāng]。在模拟透明火星大气层的统一[tǒng yī]个房间里,直升机上升,然后稳固[wěn gù]地皮旋并实现了软着陆。有史以来第一次,一架直升机原型在模拟火星大气条件下举办了控制航行[háng háng],尽量它仍然毗连[pí lián]着外部电源和谋略机。

完整的设计,包罗[bāo luó]电池、高通骁龙处置赏罚[shǎng fá][chù zhì chéng fá]器,与手机、通讯[tōng xùn]系统和传感器完全集成在一起,于2018年1月准备停当[tíng dāng]。为了模拟[mó nǐ]火星较弱的重力,一个滑轮向上拉以抵消部门[bù mén]地球引力。房间里的空气密度再次下降。但这一次,没有留下少量的地球空气,而是注入了少量二氧化碳,这是火星大气的主要因素[yīn sù][shēn fèn]。

半年后,NASA批准将直升机添加到NASA的下一次火星探测使命[shǐ mìng]中。现在,毅力号的腹部贴附着独创号,它正在为从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射举办最后的准备。

与此同时,米米·昂和她的团队正在举办排演[pái yǎn],一旦独创号登上火星,他们将会做些什么。由于喷气推进实验室因受新型冠状病毒疫情影响而基本上关闭,所有的事变都是通过电话聚会会议[jù huì huì yì][jí huì]完成的,所有的团队成员都在家里事变。

当明年2月份,即毅力号上岸[shàng àn]火星约莫[yuē mò]两个月后,研究职员[zhí yuán]将对独创号最先[zuì xiān]测试。毅力号会找到一个合适的平展[píng zhǎn]地方,把直升机释放到地上,然后开到至少100米远的地方。米米·昂说:“直升机再也不会回到探测器中。”

在随后的30天内,直升机将举办最多5次航行[háng háng],但其大部门[bù mén]时间都市[dōu shì]坐在那里守候[shǒu hòu][děng hòu]太阳能电池板给电池充电。

首次航行[háng háng]是上升数十厘米,盘旋30秒,然后着陆。随后的航行[háng háng]将会更长、更高、更远。在第五次航行[háng háng]中,若是[ruò shì]一切正常,独创号将升空约4.6米,飞出150米远,然后回到它最先[zuì xiān]的地方。它有两个摄像头:一个是向下的是非[shì fēi]摄像头,用于跟踪它所在的位置;另一个是彩色摄像头,用于视察[shì chá]风物[fēng wù]。这次航行[háng háng]将一连[yī lián][lián xù]一分半钟。

一旦航行[háng háng]完成,独创号将留在最后的着陆点,毅力号将驱车完成剩余的使命[shǐ mìng]。米米·昂说,这项手艺[shǒu yì]可以应用到更大的航行[háng háng]器上,重量最高可达13.6公斤,而不仅仅是1.8公斤。这样的直升机可能足够大,可以携带更重的相机和其他仪器。

NASA已经妄想[wàng xiǎng][tān tú][qǐ tú]向土星最大的卫星Titan(土卫六)发射一架核动力旋翼机——蜻蜓号(Dragonfly)。但土卫六的大气层很厚,因此在那里航行[háng háng]不会带来与火星相同的手艺[shǒu yì]挑战。

纵然[zòng rán]未来的直升机前往火星,它们险些[xiǎn xiē]可以一定[yī dìng]永远不会成为那里的宇航员可行的交通工具。米米·昂称:“你不会想到把它扩展到可以像在地球上那样载人航行[háng háng]的地方,事实[shì shí][jiū jìng]那里没有足够的大气。” (腾讯科技审校/金鹿)

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