科學好故事|在火星上起飛!解鎖外星探索新姿勢
2021年02月21日10:17

  來源:Smithsonian Magazine

  作者:亞曆克斯·福克斯(Alex Fox)

  翻譯:任天

  將近120年前,萊特兄弟證明了在地球上進行可控動力飛行是可能的。如今,美國國家航空航天局(NASA)準備在另一個星球上進行同樣的嚐試。如果他們的飛行器最終取得成功,將為人類以航空方式探索其他行星提供重要的信息。

  在一段短暫而富有戲劇性的降落過程後,毅力號已經於2月18日降落在火星的傑澤羅撞擊坑。毅力號上搭載的“機智號”(Ingenuity)是一架重約1.8千克的直升機,一切順利的話,它將成為首個進入另一顆行星大氣層飛行的人類航天器。這架小型直升機目前被綁在NASA的“毅力”號(Perseverance)火星探測車的腹部,正在由毅力號為其充電,毅力號放手後,將由其自身攜帶的太陽能電池板供能。

機智號將在火星上進行試飛,而毅力號將在遠處進行觀察
機智號將在火星上進行試飛,而毅力號將在遠處進行觀察

  NASA將機智號直升機任務稱為“技術演示”,這意味著其唯一使命就是在一系列試飛中成功地展示其飛行能力。如果一切進展順利,機智號將引領一個探索火星崎嶇地形的新時代。在探測車無法到達的地方,像機智號這樣的航天器可以對火星的一些危險特徵,如巨大的熔岩通道等,進行更近距離的觀察。

  在火星上怎麼起飛?

  請設想一下:在我們所處的地球上,還沒有一架直升機能飛到超過12千米的高度。但在火星上,大氣的密度只有地球的百分之一,非常稀薄,因此在火星上飛行就相當於嚐試在地球30千米的高空起飛。

  NASA噴氣推進實驗室(JPL)的項目經理MiMi Aung說:“你不能把一架設計為在地球上飛行的直升機等比例改裝,就指望它能在火星上運行。”為了使直升機產生足夠的升力,MiMi Aung和噴氣推進實驗室的Bob Balaram團隊對傳統旋翼機進行了重新設計,採用了新的旋翼葉片形狀和材料,同時大幅提高了這些葉片的旋轉速度。最終的成品包含兩個上下堆疊的旋翼,其葉片直徑約為120釐米,以相反的方向旋轉,轉速可達每分鐘2400轉。

  不過,升力並不是機智號團隊唯一關心的問題。為了製造一架可以在火星上飛行的直升機,他們要解決諸多難題,包括讓飛行器幾乎完全自動駕駛,並使其重量減至最輕。MiMi Aung表示,儘管火星的重力只有地球上的三分之一左右,但降低機智號的重量一直是困擾項目工程師們的一大難題。無論如何,這架直升機的重量必須在1.8千克以下。另一方面,為了滿足在毅力號探測器的腹部安裝機智號的需要,其旋翼的寬度必須限製在120釐米,這也限製了直升機的升力。

  “我們所做的一切都是為了讓它變得足夠輕,而且足夠堅固,能夠承受發射和火星之旅的考驗,”Bob Balaram說,“這架飛行器需要能夠成為真正的宇宙飛船。”

  MiMi Aung回憶了一段趣事。原本脾氣溫和的Balaram和通信團隊的成員之間爆發了一次爭吵,因為後者犯下了一個錯誤:要求為他們的設備在增加額外的3克載荷。MiMi Aung回憶說:“他明確表示,他們需要在沒有額外3克的情況下解決這個問題。”

  噴氣推進實驗室團隊面臨的另一個巨大挑戰是讓機智號實現近乎完全的自主化,因為信號從地球到達火星至少需要5分鐘。設計師們還需要確保該直升機不會危及耗資25億美元的毅力號任務。這就需要安全方面的創新,比如只在飛行前才給電池充滿電,以確保機智號的鋰離子電池不會像某些智能手機那樣因過度充電而發生爆炸。

  Balaram在20世紀90年代就有了火星飛行器的初步想法,這後來成為機智號設計的支柱。21世紀初,他和一些同事向NASA提出了火星直升機的概念,並獲得了一年的研究資金,但最終因為資金枯竭,對這一概念的研究被擱置。

幾週之後,毅力號將把機智號部署在火星表面
幾週之後,毅力號將把機智號部署在火星表面

  MiMi Aung回憶道,十多年後,當時的噴氣推進實驗室主任查爾斯·埃拉奇在看到一個演講之後,向他的團隊提出了一個直率的問題:為什麼我們不試著在火星上飛行?團隊中有人想起了Balaram的工作,事情開始有了轉機。在又一輪充滿前景的測試之後,噴氣推進實驗室於2014年任命MiMi Aung為該項目的經理。

  在地球上如何模擬測試火星上的飛行

  隨著項目的推進,團隊迎來了一個新的挑戰:如何儘可能真實地測試直升機的飛行性能?此前還沒有任何在火星上飛行的嚐試,因此該團隊必須想出一些方法,在地球上模擬火星稀薄的空氣、較低的重力,甚至模擬類似火星的天氣條件。

  2014年12月,該團隊從噴氣推進實驗室的真空室中吸走了幾乎全部空氣,直到其密度與火星大氣的密度相當。接著,他們啟動了原型機的旋翼葉片,使這架直升機飛離地面,首次證明在如此稀薄的空氣中飛行是可能的。然而,這架由操縱杆控制的直升機在搖晃著飛離地面之後,突然又撞向一邊,將旋翼葉片都打碎了。起飛是做到了,但操控並不如人意。

  在對這次測試的分析中,Balaram及其團隊意識到,有必要改進一下原型機的葉片。在地球上,高速旋轉的直升機葉片會上下拍打,但空氣的厚度足以使其在失控之前減弱拍打的幅度。然而,在模擬的火星大氣中,這樣的拍打會失去控制,使直升機失去平衡。為瞭解決這個問題,團隊最終用強度極高且重量極輕的碳纖維製造了旋翼葉片。

美國國家航空航天局的團隊成員正在調試機智號
美國國家航空航天局的團隊成員正在調試機智號

  在解決了受控飛行問題之後,團隊需要解決直升機自主飛行的問題。工程師哈弗德·格里普領導著導航和控制團隊,著手開發合適的傳感器和算法組合,以確保直升機保持穩定並對準目標。2016年5月,在第二次重大的測試中,機智號直升機飛離地面後保持了穩定的盤旋,但其下方仍然有一串懸垂的電線,連接幕後的電源和計算機。接下來的兩年里,機智號團隊將在火星上飛行所需的所有部件,包括太陽能電池板、電池、通信設備和處理器等,都整合成了一個1.8千克重的箱體,而且基本上能夠自主飛行。

  對滿載原型機的最後一次測試是在2018年1月。工程師們設計了一個更接近火星的飛行環境。他們在直升機上連了一條釣魚線,將其緩慢向上牽拉,以模擬火星重力下降的情況;與此同時,他們在飛行室中注入二氧化碳,更進一步模擬火星大氣的組成。直升機起飛了,盤旋著,進行了一次可測量的左右移動。一個設想中的概念似乎即將成為現實。

  最後,團隊開始了機智號的建造和組裝工作。令人緊張的最後一步是在一間潔淨的房間里進行的,那裡有經過嚴格消毒的設備和部件,以確保直升機不會攜帶任何生物汙染物,畢竟它的任務是在火星上搜尋古代生命的跡象。

  機智號的火星工作計劃

  2月18日,當機智號直升機隨毅力號抵達這顆紅色星球時,它將面臨乾燥、寒冷的嚴酷環境,那裡的夜間溫度可能驟降至零下90攝氏度。在著陸後60到90天,如果一切順利,毅力號將移動到較為平坦的地面,將機智號放下。當這架直升機在火星鐵鏽色的土地上停穩之後,毅力號將行駛到一個足球場以外的地方。

  在接下來的30天里,機智號計劃嚐試5次飛行,難度會逐漸增加。當然,在另一個星球的歷史性首飛將只是一個簡單的盤旋。按照計劃,機智號的每次飛行不超過3分鐘,飛行高度約為3到5米,飛行距離可達300米。每次降落後,機智號將直接與毅力號通信。

  “第一次在我們從未經曆過的條件下飛行,這樣的想法本身就令人驚歎,”麻省理工學院的自主機器人研究者尼克·羅伊說,“你可以做所有你想做的測試和分析,但在一切工作結束之後,終於可以起飛了,在我們在地球上從未見到過的條件下飛行。”

  如果一切進展順利,機智號的試飛將在火星表面上穿越約500米的距離。儘管沒有科學目標,但機智號攜帶了兩個相機,或許可以從一個全新的角度提供火星的圖像。通過這些圖像,我們將瞭解未來的直升機將如何改變NASA在火星甚至其他星球上進行探索的能力。“如果這項努力成功了,它將為我們探索火星表面提供一種全新方式,”NASA總部機智號項目主管戴夫·拉弗里說,“比如,你會想知道下一座山那邊是什麼。”

  在噴氣推進實驗室,歷史學家埃里克·康威的工作之一就是記錄機智號的成就和磨難。他表示,想要更進一步探索火星表面,我們就必須以更快的速度覆蓋更多的地面。“我們在整個火星上著陸的東西還不到10件,”他說,“如果你試圖通過降落在10個地點的探測器來說服我,你知道關於地球的一切,我會嘲笑你的。”

  Balaram表示,未來的火星直升機可能重達23千克,包括大約3.6千克的科學儀器,其外形可能類似於地球上的六軸無人機。

  拉弗里表示,如果機智號成功在火星上實現了可控飛行,它就“打破了壁壘”。換言之,如果我們能在火星上這麼做,那在其他地方也可以這麼做。NASA已經在籌劃一項名為“蜻蜓號”(Dragonfly)的任務,計劃用其在土衛六“泰坦”(Titan)上尋找適合生物生存的環境與化學條件。蜻蜓號將是一架核動力旋翼直升機,因為土衛六上的大氣更為稠密。

  當然,所有這些可能性都取決於機智號在火星上的試飛情況。“在火星上的第一次飛行將是決定性的最終測試,”MiMi Aung說,“沒人知道這項任務是否真的能實現,現在我們需要再進行一次飛行來證明這一點。”

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