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环球科学 04-19

机智号,起飞!

机智号黑白导航相机在飞行期间拍摄的照片(图片来源:NASA)

在耶泽罗陨击坑的平原上,机智号 1.2 米长的叶片以每分钟 2500 转的速度飞速旋转,在 1% 个大气压的稀薄大气中托起自己 1.8 千克的机身 …… 就在刚刚,机智号火星首飞成功的消息传回 NASA 控制中心,人类飞行器在地球之外实现了首次动力受控飞行。

撰文|王昱

审校|吴非

经历过多次推迟,并在火星上完成了一次软件更新后,在毅力号的注视下,机智号无人直升机完成了它的首次飞行。机智号在 3 米的高度盘旋了约 20 秒后降落,加上上升和降落,飞行整体持续 30 秒左右。尽管在火星飞行困难重重,NASA 还是挤出一点重量,在机智号上放了一块莱特兄弟 " 飞行者一号 " 的零件,以此纪念本次飞行的重要意义。

1903 年,莱特兄弟驾着他们的 " 飞行者一号 " 起飞时,不知道他们能否想到一百多年后,人类的飞行器也能在这颗红色星球上 " 御风而行 "。那时甚至还没有 " 科幻 " 这一概念,基于当时对火星模糊不清的观测,甚至有人称火星上存在运河。在此后的一个多世纪,人类的认知边界和技术实力呈指数上涨。我们把探测器送上了这颗充满未知的红色星球,而今天,我们终于实现了火星表面的飞行。

机智号(图片来源:NASA)

生存

此次起飞的机智号其实是一台小型的共轴双旋翼直升机,通过螺旋桨的旋转提供升力,可以精确控制 4 个旋翼的倾角,2 个螺旋桨反向旋转力矩抵消,无需尾桨,整体结构也更适合折叠。

火星直升机示意图(图片来源:NASA/JPL-Caltech)

机智号被固定在毅力号的底部,它们一起经受了 8 分钟内从秒速五公里减速到 0 的考验,降落到这颗太阳系内和地球最接近的红色星球上。对毅力号来说,在火星降落就是最大的考验。而对附着在其底面的机智号,考验才刚刚开始。机智号首先面对的考验就是火星表面极低的温度。耶泽罗陨击坑中夜晚最低温度为零下 90 摄氏度,不少电子元件的运行都会受到影响。

拥有核电池的毅力号自然不用担心能源问题,机智号附着在毅力号上时,尚且可以依靠毅力号的能源保温。但机智号毕竟还是要离开毅力号的,在抛掉保护罩,缓慢展开,并将六块锂离子电池充满之后,机智号被放置在火星表面。将机智号放下后,毅力号尽快驶离,让机智号获得太阳能。依靠着它上方的太阳能板和内部的电池,机智号顺利撑过了火星寒冷的夜晚。

毅力号和机智号的自拍(图片来源:NASA)

我们当然也需要和机智号保持联络,但生存下来就已不易,更别提在它上面安装高功率天线了。而这时,毅力号就充当了中转站的作用。机智号可以在 1 千米内和毅力号保持通讯,前者的状态信息会被传到火星人造卫星上,信号再以光速飞行 16 分钟,才能到达地球。

起飞

生存下来后,如何在火星起飞依然是个问题。即使火星是太阳系内和地球最接近的星球,两者之间还是存在巨大差异。对于飞行来说,最明显的区别就是火星表面大气密度只有地球密度的 1%。地球上的直升机都存在升限,就算是只有 4000 米海拔的青藏高原,大多数直升机就已经难以飞行。而火星地表 1% 大气压的密度,相当于地球上 3 万米的高空。

由于大气过于稀薄,虽然火星表面重力大约只有地球表面的 1/3,机智号仍然需要尽可能减轻自己的重量。为了让机智号能够在火星上飞行,它还必须足够坚固,能够承受高转速对机体结构的考验。为此,机智号的旋翼、支脚都使用碳纤维构成。最终,这个翼展 1.2 米的直升机质量仅有 1.8 千克,不少人手上的笔记本电脑都比它重。

和 1.8 千克重量对应的,是机智号旋翼快得有些不真实的转速。地球上的直升机主旋翼转速一般为每分钟 300 转左右,而机智号为每分钟 2500 转。飞行时机智号的峰值功率可达 350 瓦,核动力的毅力号功率也不过 110 瓦。在地球上这个转速听起来可能有些不可思议,不过也正是由于火星表面过低的气压,这个转速才成为可能。但转速也只能提升到这个级别了,火星表面 240 米每秒的声速限制了直升机的翼展和转速,超音速后翼尖会产生剧烈震颤,威胁飞行安全。

机智号原型在实验室中的试飞(图片来源:NASA)

另外,目前地球和火星之间的距离在 16 光分左右,而机智号飞行时间最多不过 90 秒,因此机智号必须实现全自主飞行,实时调控飞行参数。为此,机智号搭载了高通骁龙 Robotics Flight 801 平台,其核心正是高通骁龙 801 芯片,大约是七年前的旗舰手机芯片。而机智号上面还搭载了黑白、彩色两个相机,可以在火星上航拍。第一次飞行拍摄了 4 张黑白照片和 3 张彩色照片,受数据传输限制,会在 3 天后传回地球。

就像在地球上那样,飞行器起飞对天气有严格的要求。机智号会根据毅力号上火星环境动态分析仪(Mars Environmental Dynamics Analyzer,MEDA)的数据,推测火星上的天气情况,在电池电量良好的前提下,选择风力最小时起飞。

未来

这次任务风险巨大,在起飞之前没人能知道它是否能成功,所以这个耗费 8500 万美元的无人机没有被赋予任何科学目标。它甚至不能算作毅力号的一个科学任务,而是一项实验性的技术验证,可以说是一次豪赌。这次飞行验证了将来火星飞行探测器的可行性,甚至为未来火星宇航员使用无人机打下基础。

机智号的设计飞行计划是,在 30 个火星日(31 个地球日)的实验窗口进行至少一次飞行。但他们实际想达成的远不止如此。在接下来的飞行中,机智号将继续依靠太阳能板充电。第二次飞行将会飞到 5 米高,平移几米距离,飞行 90 秒后降落。第三次飞行则会测试机智号的飞行性能极限,最多飞到 50 米外再返回。第四、第五次飞行则依靠之前飞行获得的数据决定。每次飞行,毅力号都会将它的镜头对准它在机智号,提供更多机智号在火星上的飞行照片。毅力号还会在机智号飞行过程中尝试录音,如果可能的话,甚至会拍一两段视频。

未来机智号在火星表面飞行的想象动画(图片来源:NASA)

NASA 一直以探索者自居,他们一直在思考如何在大众中更好地传播科学知识,让所有人都能参与宇宙探索,毅力号和机智号自然也是他们不会放过的重要机会。毅力号、机智号的装配全程其实一直都在网上直播。毅力号上还附带了一块刻有 10932295 名网友姓名的硅片,一些我们的读者朋友也参加了这项活动。就连毅力号着陆过程中的降落伞,都埋有彩蛋。到目前为止,毅力号任务已经回传并公开了 3 万多张照片。

如果将目光望向更长远的未来,机智号的起飞应该算得上人类对外星球探测中,一个不大不小的里程碑。面对今天的机智号,我们难以想象一百年后人类还能达成怎样的成就。但有一点可以肯定,面对未知,人类探索的脚步永远不会停歇。

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