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火星上的 “莱特兄弟时刻”

“机智号” 悬停在火星表面时捕捉并返回的图像。图源:NASA
 
- 导 读 -
 
昨日,美国研制的一架直升机在火星成功起飞并降落,评论认为这是火星上的 “莱特兄弟时刻”。
 
撰文|王雨丹
 
责编|陈晓雪
 
美东时间4月19日凌晨3:34(北京时间19日下午3:34),美国国家航空航天局(NASA)研发的直升机 “机智号”(Ingenuity)在火星起飞。3个多小时后,NASA由传回地球的数据确认并宣布 “机智号” 首飞成功。至此,它成为了历史上第一架在另一个星球上进行动力控制飞行的飞机 [1]。
 
对于“机智号”的成功首飞,NASA副局长托马斯·泽布臣(Thomas Zurbuchen)表示:“在莱特兄弟(Wright brothers)成功进行地球上第一次飞行之后的117年,NASA的直升机也成功地在另一个星球上实现了这一壮举。”
 
空降火星,能否自由飞翔?
 
2020年7月30日,美国 “毅力号” 火星探测器(Perseverance rover)发射升空,经历7个月、4.71亿公里的旅程后,于美东时间2月18日下午4:55成功登陆火星表面,成为去年继中国 “天问一号” 和 阿联酋 “希望号” 之后的又一 “天外来客”,其主要任务是进行火星 “考古”:寻找火星是否曾有生命存在。
 
而此次首飞成功的 “机智号”,就是随着 “毅力号” 一起升空的。
 
在火星上蛰伏了2个月,它终于迎来了自己的高光时刻。
 
凌晨3:34,NASA研究团队所确定的最佳起飞时间。NASA官网数据显示,“机智号” 攀升至规定的最高高度10英尺(3米)后,稳稳当当地悬停在了空中,半分钟后机身开始下降。
 
在总共飞行了39.1秒后,“机智号” 安全回到火星表面 [1]。
 
“机智号” 位于 “毅力号” 腹部,并覆有保护盖,以保护其免受探测器着陆时的影响。相比起 “毅力号” 这个1吨重的庞然大物,“机智号” 只能算个弟弟:净重1.8千克、4个1.2米长的叶片、高49厘米,整体也就一个纸巾盒般大小 [2]。
前:“机智号”火星直升机;后:“毅力号”火星探测器。图源NASA。
 
作为老大哥 “毅力号” 的拍档,“机智号” 机身并不携带任何科学仪器,它的目标只是演示直升机在极薄的火星大气层中如何 “自由飞翔”。
不过,NASA表示,即使是 “陪跑”,要在另一个星球上实现动力控制飞行,也是高难度的 “壮举”。
 
不简单的 “机智号”
 
火星的大气层非常稀薄,只有地球大气层密度的1%。因此,“机智号” 比一般直升机更轻巧、叶片更大、旋转速度也比地球上直升机所需的速度更快。
 
此外,火星上平均温度为-63℃,“毅力号” 所在的考察地点杰泽罗陨石坑(Jezero crater)夜晚温度更是能低至-90℃,“机智号” 的首要目标之一就是在寒冷的火星之夜生存下来。
 
为了克服火星上的恶劣条件,NASA研究人员为 “机智号” 精心配备了抗辐射系统和由轻质碳纤维泡沫芯制成的叶片,这不仅能保证它在寒冷的环境中正常运行,还能在稀薄的火星大气中产生足够的起飞动力,使之在充满挑战的火星环境中自主运行和生存 [3]。
 
“机智号” 火星直升机的桨叶由轻质碳纤维泡沫芯制成,能在稀薄的火星大气中提供升力。图源:NASA。
 
信息延迟是跨行星际距离与航天器通信不可避免的问题。这意味着直升机在起飞后很长一段时间内都无法用操纵杆来控制,也无法查看每次飞行的数据或图像。但是,“机智号” 真的很机智:它可以根据设计师在地球上设定好的参数自行做出一些决定。例如,它能利用恒温器使自己在火星上保持温暖;在飞行过程中,还可以分析传感器数据和地形图像,以确保自己不迷路,始终保持在预定的飞行路径上。
 
“机智号” 在火星成功飞起,NASA代理局长史蒂夫·尤尔奇克(Steve Jurczyk)高兴地表示:“ ‘机智号’ 是NASA历史悠久传统项目中的最新成果,实现了曾被人们认为遥不可及的太空探索目标。”
 
为了让直升机盘旋在火星上,NASA研究团队可谓步步为营。
 
在NASA官网上,我们可以看到其列出的2021年关于 “机智号” 的计划清单,包括安全着陆火星并从“毅力号”的腹部运行至地面、在极度寒冷的火星夜晚中保持温暖、通过太阳能电池板自动充电等 [3]。
 
“机智号” 在火星表面的飞行,将确认此前在特殊空间模拟舱中进行的飞行测试结果,并提供有关在火星上操作直升机的相关数据。
 
未来,“机智号” 将在火星上继续运行,提供 “毅力号” 探测器无法提供的独特视角并进入 “毅力号” 难以到达的地形。
 
人类花了几个世纪的时间,经过反复试验和无数次试错,才弄清楚如何在地球上驾驶飞机和直升机,而 “机智号” 从研发到成功,科学家只花了6年时间。可以说,“机智号” 的起飞,是人类工程学上的又一壮举,也是人类火星探测的一大步。
 
“我们不知道 ‘机智号’ 究竟会把我们引向何方,但今天的结果表明,至少就火星而言,天空并不是极限。” 尤尔奇克说。
 
参考资料:
 
1. https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-ingenuity-mars-helicopter-succeeds-in-historic-first-flight
 
2. https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to-attempt-first-controlled-flight-on-mars-as-soon-as-monday
 
3. https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/ingenuity/download/ingenuity_landing_press_kit.pdf



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