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果壳 04-19

此时此刻,一架无人机正在火星起飞

如果一切顺利的话,此时此刻,在地球的邻居火星上,一架名叫机智号的无人机正在起飞,成为首个在地球以外的星球上御风飞行的人造物体。

毅力号火星车和飞翔中的机智号无人机艺术想象 | NASA/JPL-Caltech/PIA23963

按照目前的计划,机智号最快会在北京时间今天(4 月 19 日)15 点 30 分起飞。

而它在火星上的首次亮相,则是在今年 3 月 21 日,NASA 的毅力号火星车登陆火星的第 30 个火星日。

那天,在火星上一直开着好好的毅力号,突然 " 哐当 " 一声,从车底抛下了一个吉他箱形状、石墨复合材料的 " 奇怪 " 罩子。

被这个罩子小心保护、一直藏在毅力号车底的,便是这架花费 8500 万美元的机智号无人机了。

毅力号机械臂顶端的紫外拉曼光谱仪夏洛克配套的相机华生拍摄的车底 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA24448

搭 " 顺风车 " 来火星

着陆火星,凶险异常,可怜瘦小又柔弱的机智号自己显然是搞不定的,只能靠抱毅力号火星车的 " 大腿 " 了。

为了把首个火星无人机安全带上火星,毅力号项目组可以说是操碎了心。工程师把机智号小心折叠起来,牢牢固定在毅力号火星车底,又罩上保护罩。

毅力号车底的无人机和罩上保护罩的样子 | NASA/JPL-Caltech

就这样,机智号无人机搭上毅力号火星车的顺风车,被一同塞入气动外罩内,发射前往火星。

装入气动外罩的毅力号火星车和机智号无人机 | NASA/JPL-Caltech/KSC/PIA23925/haibaraemily

" 老母亲 " 毅力号经过 6 个半月的漫长飞行来到火星附近,又经过 " 恐怖七分钟 ",于 2021 年 2 月 18 日着陆火星表面。机智号无人机也随之来到了这颗红色星球。

毅力号火星车借助空中吊车着陆火星艺术想象 | NASA/JPL-Caltech

着陆一个月后,毅力号火星车抛下无人机保护罩,驱车前往机智号的起落场。这是毅力号就近物色的一片平坦、无障碍物的区域,机智号接下来的试飞,就将从这里起飞和降落。

机智号无人机的飞行区域。着陆区附近彩虹色区域是影像合成造成的失真,并不是真实存在的颜色 | NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/PIA24494/haibaraemily

不过,没有了工程师的现场帮助,这个和 " 母体 " 分离的过程相当精细而漫长

这个 " 孩子 ",生了八天

工程师给机智号设计了一套 " 自行解绑 " 的流程。

1)解锁无人机与火星车之间的绑定装置(毅力号着陆后的第 36 个火星日完成)

2021 年 3 月 26 日,毅力号华生相机拍摄 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA24441

2)通过自旋摆动,解放半边机身,展开其中两条腿(第 37 个火星日完成)

2021 年 03 月 28 日,毅力号华生相机拍摄 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA24442

3)继续旋转直至机身完全垂直(第 38 个火星日完成)

2021 年 03 月 29 日,毅力号华生相机拍摄 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA24443

4)展开剩下两只腿(第 39 个火星日完成)

2021 年 3 月 30 日,毅力号华生相机拍摄 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA24449

5)充电(第 39-43 个火星日完成)。展开全部四条腿之后,无人机处于距火星表面 13 厘米的悬空状态," 头顶 " 和毅力号火星车的 " 腹部 " 依然保持连接,由毅力号通过 " 脐带 " 为机智号太阳能板的 6 块锂电池充满电——这也是机智号最后一次从 " 母体 " 获取能源,一旦切断连接,它就只能靠自己获取太阳能和保温了。

2021 年 4 月 3 日,机智号无人机彩色相机拍摄的首张照片,此时无人机还在火星车底,可见火星车两个轮子 | NASA/JPL-Caltech/PIA24437

6)分离(第 43 个火星日完成)。切断无人机顶部和火星车 " 腹部 " 的连接,火星车迅速开走,让无人机尽快沐浴在阳光下充电。

毅力号驶离机智号 CG 场景 | NASA/JPL-Caltech and Lockheed Martin Space [ 1 ]

至此,无人机和火星车的 " 解绑 " 流程终于全部完成。

但下一个挑战才刚刚开始:着陆区杰泽罗撞击坑一带夜间温度低达零下 90 ℃,能轻而易举地冻坏无保护的电路原件和电池等部件,刚刚切断 " 脐带 " 的无人机能否在恶劣的火星环境下独自存活下来?产房外的工程师紧张万分(bushi)。

2021 年 4 月 4 日,第 44 个火星日来临,机智号传回了好消息。这个坚韧的小家伙顺利度过了首个火星夜晚,证明了自己完全具备自主充电、防寒、保暖的能力

2021 年 4 月 4 日,毅力号后避障相机拍摄,注意此时机智号的旋翼还在锁定状态 | NASA/JPL-Caltech/PIA24541

接下来,就是机智号在火星大展身手的时候了。

火星起飞,唯快不破

然而,在火星起飞可太难了。

尽管火星表面重力加速度只有地球的三分之一,但这点优势在火星稀薄的大气面前微不足道。火星表面大气压仅有地球的 0.6%,在这样的星球上开无人机,如何起飞就是最大的难题。

机智号的应对之法也很直接:首先是桨叶尽量长,但自身尽可能轻小。整个机智号仅重 1.8 公斤总长 1.2 米的桨叶采用了轻质的碳纤维泡沫材料,仅有一个纸巾盒大小的机身主体里满满当当地塞了电池、中央计算机、惯导、激光测高计、倾斜计、加速度计、陀螺仪和两个相机这一大堆仪器 [ 2,3 ] ,堪称空间管理大师。

机智号机身主体仅有纸巾盒大小(13.6 × 19.5 × 16.3 厘米) | NASA/JPL-Caltech

在尽可能压缩自身质量体积的基础上,接下来就是暴力破解了。天下武功,唯快不破。机智号项目组通过反复计算和试验,摸索出了能提供足够火星升力所需的无人机转速

试验证实,模拟火星环境中的桨叶转速达到2277 转 / 分钟以上时,机智号的无人机模型能稳定完成起飞、上、悬空、平移、旋转和返回等一系列操作。

2018 年 1 月 30 日,机智号项目组在喷气动力实验室(JPL)的 7.6 米尺寸空间模拟舱室开展的机智号无人机模型飞行测试 | JPLraw [ 4 ]

由此看来,项目组最终把机智号的飞行转速定在2400 转 / 分钟左右,首飞转速设为2537 转 / 分钟,应当是很有把握能在火星飞起来的了。

不过别着急,剪完 " 脐带 " 的机智号也不是立马就飞的,毕竟这么贵的无人机,可不得小心翼翼地仔细检查几遍嘛。飞炸了可就不好玩了。

小心测试,不行就延

机智号原计划于北京时间4 月 12 日上午 10:54 首飞 [ 5 ] ,但这个计划时间可能因为各种原因而推迟。

从分离到首飞期间,项目组会对无人机的旋翼、驱动电机、惯导等设备进行测试,并根据毅力号的火星气象站(MEDA)实时测量的气压、风速等一系列气象数据做出气象预报,评估合适的起飞条件和时机

然后…… 它就真的因为测试出了问题而延期了

4 月 7 日,机智号顺利解锁了旋翼 [ 6 ] 。

锁定的旋翼 vs. 解锁的旋翼,毅力号桅杆相机(Mastcam-Z)拍摄 | NASA/JPL-Caltech

4 月 8 日,机智号顺利完成了 50 转 / 分钟的旋翼慢速旋转测试 [ 6 ] 。

毅力号着陆后的第 48 个火星日,毅力号的桅杆相机拍摄 | NASA/JPL-Caltech/ASU

但 4 月 9 日,机智号的旋翼高速旋转测试出了点问题,于是首飞被延期到了 4 月 14 日之后 [ 7 ] 。

传回的数据显示无人机本身没啥事儿,只是项目组需要升级一下飞行软件…… NASA 表示升级也不难,就是跨星球上传指令和测试比较慢……嗯,想象一下,一位程序员熬夜向火星上传代码的画面

4 月 16 日,再来一次的旋翼高速旋转测试,总算是顺利完成了。

按照最新计划,机智号不早于北京时间今天下午 15:30 左右首飞 [ 8 ] ——如果各项测试和检核过关,气象条件也合适的话

所以,此时此刻,机智号总算真的要飞了(吧)。

五次试飞,难度加码

由于地火通讯的延迟,远在地球的工程师无法真实 " 操纵 " 无人机的飞行,所有的操作和判断都要靠无人机自主完成。机智号的任务窗口为30 个火星日(也就是约 31 个地球日),在此期间,项目组共策划了至多 5 次飞行测试

首飞任务最为简单。完成飞前检查之后,机智号将在起落场启动旋翼,在 12 秒内把转速 0 从升至计划的 2537 转 / 分钟,然后花大约 6 秒时间飞到 3 米高处,悬停约 30 秒,下降,回到起落场。

机智号 " 平平无奇 " 的首飞计划 | 参考文献 [ 3 ]

机智号的机身底部安装了激光高度计(LiDAR)导航相机,帮助无人机探知自身的位置和高度,确保首飞稳定停留在起落场中央而不飞偏 [ 6 ] 。

除了可以垂直向下拍摄低分辨率黑白照片(50 万像素)的导航相机,机智号底部还安装了另一个彩色相机,能以一个倾斜向下的角度拍摄高分辨率照片(1300 万像素,四舍五入都快赶上你的智能手机了呢)。

机智号底部的 LiDAR 和相机位置 | NASA/JPL-Caltech/PIA23969/haibaraemily

这些仪器在试飞过程中获取的工程数据和拍摄的火星表面照片,将在无人机降落之后通过火星车传回地球,供项目组分析和还原无人机的飞行状况。

虽然只是简单的起和落,但机智号首飞的意义最为重大。哪怕仅仅是稳定地在火星上空悬停几十秒,这也将是人类深空探索史上的里程碑,重要性堪比一百多年前莱特兄弟 " 飞行者一号 "(Wright Flyer)的首次飞行——事实上,机智号的这次首飞也被 NASA 称为火星上的 " 莱特兄弟时刻 " [ 5 ] 。

1903 年 12 月 17 日,奥维尔 · 莱特担任驾驶员完成了 " 飞行者一号 " 的首次飞行,威尔伯 · 莱特在跟跑 | Library of Congress/PIA24434

如果首飞成功,接下来的至多 4 次飞行测试将逐步提升难度和复杂度,尝试飞得更高(5 米)更远(60 米),甚至可能不返回起落场,而是降落在新的目标点上 [ 9 ] 。

机智号无人机多种可能的飞行路线示意图 | NASA/JPL-Caltech/PIA24496/haibaraemily

这些载入史册的场面,毅力号火星车当然不会错过,必须活跃在吃瓜最前线。装备着相机和麦克风的毅力号已经驶达距起落场 65 米开外的 " 观景区 ",届时它将作为首位 "火星前线记者",为我们带来 literally 有声有色的机智号飞行报道。

前排吃瓜——毅力号火星车的 " 观景区 " 位置。NASA 将这个观景区命名为 " 范 · 齐尔 ",以纪念 NASA 已故科学家 Jakob van Zyl | NASA/JPL-Caltech/haibaraemily

机智号没有携带任何科学仪器,它的核心目标是验证无人机在一颗遥远星球上保温、充电、自主飞行、拍照等诸多技术

不过,如果测试顺利、照片质量够好的话,机智号拍摄的照片也有可能为毅力号火星车的科学探测和行驶提供指导。当然,这些都是锦上添花的事了。

机智号无人机飞行工作示意图 | NASA/JPL-Caltech

火星上的一小步,太阳系的一大步

在机智号试飞的一个月里,毅力号会停留在观景区一带,作为通讯中转站为机智号和地球传递信息。这是火星上属于机智号的一个月。

待到整个试飞期结束后,毅力号才会正式开始火星探索之旅,向它的目标——杰泽罗撞击坑中的三角洲驶去。

毅力号火星车之后的行进路线(蓝色和紫色二选一)| NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/PIA24486

随着火星车越开越远,机智号终将被永远抛在身后,它的电池会耗尽、信号会丢失,最终成为一座被风沙掩埋的小小纪念碑,永远停留在它最后一次降落的地方。

2021 年 4 月 6 日(第 46 个火星日),毅力号的华生相机拍摄的 " 同框照 "。此地一为别,孤蓬万里征。 | NASA/JPL-Caltech

不过,机智号并不孤单,和它相伴的,还有一块来自莱特兄弟 " 飞行者一号 " 的蒙皮布。这块邮票大小的蒙皮布被包裹在机智号太阳能电池板下的电缆上,将和机智号一同矗立在火星上,纪念着人类首次挑战火星无人机飞行的壮举,也一同宣示着,人类挑战天空飞行的雄心,从此向着地球以外的星球上延伸

" 飞行者一号 " 的一小块蒙皮布,被包裹在机智号太阳能电池板下面的电缆上 | NASA/JPL-Caltech

2026 年,NASA 的另一艘无人机任务蜻蜓号将动身前往土星最大的卫星——土卫六泰坦。这是目前太阳系中已知的唯一一颗拥有稠密大气层的卫星,想必在这里开无人机,会比火星容易许多吧。

蜻蜓号无人机在土卫六上的工作假想图 | NASA

终有一天,无人机会成为人类探索其他星球的重要补充手段:探测器们将不仅能环绕着星球探测,或是在固态星球上着陆驰骋,还将能在火星、木卫六这样有一定大气的星球上御风而行,用无人机开拓我们的探测视野。

将来的无人机辅助人类探索火星想象图 | NASA/JPL-Caltech

如果一切顺利的话,如此科幻的未来就将在这样一个平平无奇的周一下午开始走进现实。

让我们和毅力号一起屏息静候,期待机智号传回地球以外首次御风飞行成功的捷报吧!

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