机智号成功首飞!时隔118年人类在又一颗行星实现飞行梦想

2021-04-20 07:35:08 太空精酿

1903年12月17日,地球。莱特兄弟驾驶着比空气重的“飞行者一号”飞机,实现了在地球大气中持续且受控的动力飞行,人类从此进入飞行时代。飞机极大拓展了人类四肢能够延展的空间,推动人类进入全球化时代。

人类飞行器两次划时代意义的突破(图源:公共版权)

2021年4月19日,火星。在预装软件控制下,“机智号”直升机在火星大气中完成了30秒悬停,这是人类飞行器首次在地外天体大气中持续且受控的动力飞行,标志着人类深空探测进入崭新的“飞行”时代。

一、承前启后:人类火星探测的新维度

火星是地球的近邻,是一颗类地行星,与地球有着相似的演化历史与未来。这里有大气、水、有机物的存在,表面积与地球陆地总面积接近,各类资源丰富。它处在太阳系内宜居带上,关于火星生命的探寻一直是探测焦点之一。因此,这里也集中了人类对行星际空间探测的技术极致。

机智号为人类新增了一种火星探测技术方案(图源:作者绘制)

在机智号出现之前,共有四种火星探测方案。惊鸿一瞥的“飞掠”,登高望远的“环绕”,观天测地的“降落”和自由移动的“巡视”,整体难度越来越大。

其中,“飞掠”任务仅是早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用。环绕器能全方位研究火星和中继信号,但无法详细研究火星表面;着陆器能仔细研究火星表面的各种细节,但无法移动;巡视器(火星车)可以随处移动,但速度略慢,例如好奇号火星车在着陆9年内才爬行了25.1千米,平均每天行驶距离还不足8米。

按照任务复杂度和实际预算对比,常规任务的逻辑基本是“环绕的比不过着陆的着陆的比不过巡视的”。而机智号成功后,则有能力为这个逻辑再加一句“巡视的比不过飞行的”。因为它能在3-5米的空中飞行,最大水平速度可以达到10米/秒,单次飞行往返距离可达100米级别,远超火星车的能力范围。

这是火星探测前所未有的新技术,大幅拓展了研究空间尺度和可获取的信息量。毅力号火星车和机智号直升机组合,也代表了火星探测的新高度。

二、乘风而起:超级集成机身,超强动力系统

前往火星是第一道难关。不过机智号并不是个独立任务,它主要依托于毅力号火星车,在前往火星之旅中它处于折叠状态并被保护起来,牢牢固定在毅力号底部,毅力号通过“脐带”为它提供能量和技术支持。在确认测试区域后,机智号才展开并被释放到火星表面,与毅力号仅通过天线保持无线沟通。

抵达火星后,处于折叠状态(左)和展开待释放状态(右)的机智号(图源:NASA)

火星表面白天气温可以超过20摄氏度,夜晚时可以低到100摄氏度以下,昼夜温差巨大。火星的磁场极弱,抵御强烈宇宙辐射的效果近乎为零,辐射环境复杂。早在火箭发射和着陆火星阶段,机智号还要面对剧烈的振动和冲击。因此,能顺利踏上火星表面并独立生存的机智号,可谓已经经历过重重磨难的洗礼。

在火星上飞行并非易事,最大挑战在于火星表面的空气密度和气压还不足地球表面的1%,且变动较大,这相当于地球在约30千米高度的大气状态。而在地球上,珠穆朗玛峰的高度就已经是直升机的飞行禁区。为此,科学家们需要解决一系列棘手的问题。

机智号火星直升机的大致组成(图源:NASA+作者注释)

首先,要尽可能减轻重量,这是任务成功的关键,对于要携带众多核心结构和仪器的机智号也是最大的挑战。小小的机智号上,需要很多必备部件。例如,一片用以获取能量的太阳能电池板,两对用来提供足够升力、直径达1.2米的碳纤维旋翼和驱动电机,六块用以储存太阳能和给所有仪器设备供电的特制锂离子电池,一个装载所有核心处理设备、温控系统和控制系统等的机身,一台高清相机等科研仪器,一个通信天线,一套融合了惯性传感器、太阳敏感器、视觉里程计、导航相机和激光高度计等的复杂导航系统,以及四条支撑腿等核心结构。它还要高度智能,因为地火距离导致的通信时延使得人类不可能控制它飞行。

所有的设计都必须做到尽量轻、强度高、耐冲击、耐振动、耐温差、耐辐射,最后的机智号被“浓缩”为整体质量仅有1.8千克的“小不点”,是科研人员们“绞尽脑汁”的成果。考虑到它8500万美元独立预算,平均每克的成本高达4.7万美元/克,是黄金单价的近1000倍!

动图:在正式飞行测试前,机智号已经进行了旋翼旋转测试并被毅力号记录下来(图源:NASA)

其次,要尽可能获得大且稳定的升力。机智号的碳纤维旋翼被设计成了共轴反转式系统,这种设计传动系统更加简单,可以回避掉常规直升机必须携带的尾桨,再加上可折叠设计,让占用的体积空间大幅减少。同时,共轴旋转的转动惯量小,抗侧风能力更强,悬停和飞行状态更加稳定,非常适合机智号的应用需求。不过这些设计还是不够,“天下武功,唯快不破”,它需要大幅增加转速以满足升力需求。它的设计转速高达2400转/分,极限情况下甚至可以做到更高,这已经远超地球上直升机的旋转速度。

预计飞行效果图(图源:NASA)

不过,这里如果要写个致谢,首要功臣还应该是火星。它表面的引力加速度仅为地球的38%左右,这让机智号的重量仅相当于在地球上0.7千克物体对应的重量,这是它能飞起来的核心原因。

三、科学目标:技术测试为主,为未来任务带来希望

机智号身背诸多“人类首次”。最核心的使命是完成技术测试,预计在任务期间内完成5次飞行任务,为火星探测和地外天体探测探索新的技术维度。因此,它的科学研究功能并不复杂,主要聚焦于拍摄高分辨率地面图像,发回毅力号。由于近乎贴地飞行,它核心科学相机拍摄的彩色图片覆盖范围更广、分辨率更高,对于了解毅力号周边环境有很大意义,相当于为它赋予了一双“火眼金睛”。然而,仅5次飞行任务,还包括首飞的短期悬停测试,可想而知并不能真正提升毅力号的研究能力。飞行期间,毅力号还要聚焦于它,为它留下火星飞行的美丽合影。

未来的蜻蜓号泰坦探测器,将完全颠覆人类对地外天体探测的技术途径(图源:NASA)

这次测试任务的成功,不仅彻底打开了人类对于火星探测的技术发展空间,也为其他带有大气层的地外天体探测开辟了新思路,甚至可能成为主要探测方式。例如,泰坦是土星最大的卫星,那里有着稠密的氮气和甲烷主导的大气,惠更斯号着陆器曾经在2005年实现了着陆的伟大壮举。在未来的任务规划中,美国宇航局(NASA)已经确定了“蜻蜓号”任务,它就是个纯粹的飞行器,利用旋翼飞行系统探索泰坦的大气和地表,预计收获的科研价值远超定点着陆器。人类所熟知的金星,是个大气密度远超地球的地方,飞行器也是探测它的最佳方案之一。此外,木星、土星、天王星、海王星,也都拥有浓密大气层,未来的探测器设计思路,也会被这次火星飞行测试成功所影响。

机智号也携带着118年前“飞行者一号”前辈的火星飞行梦想(图源:NASA)

让人欣慰的是,科学家们也把一份极致的浪漫通过机智号带到火星。机智号太阳能电池板下的一条电缆上,覆盖的是一小片“飞行者一号”机翼上覆盖用的蒙皮。时隔118年后,它见证了人类飞行梦想在另一颗星球的起飞。未来,人类的星辰大海之旅还将见证越来越多的飞行奇迹。

这些珍贵的探测器,不仅为人类延展了四肢,让我们能跨越时空触碰这些星球。还为人类延展了大脑,让我们时刻憧憬着星辰大海的梦想。

出品:科普中国

制作:太空精酿

监制:中国科学院计算机网络信息中心

更过火星相关内容,请关注图书《下一站火星》

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐

热门新闻