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2020-07-31 16:16
与“毅力号”一起上火星的无人机,有什么黑科技?

本文来自微信公众号:机器之心(ID:kexuedayuan),编辑:张倩、泽南,题图来自:视觉中国


最近几天,以火星为目标的探测器纷纷启程。


7月30日,在美国宇航局NASA成功发射的MARS 2020任务中,“宇宙神5”型运载火箭将最新一代火星探测器毅力号 (Perseverance)送上轨道。


毅力号是有史以来最大、最为复杂的火星探测系统,这台次世代火星车造价高达27亿美元,总重1025千克。它是自阿联酋希望号、中国天问一号之后,人类在这个“火星季”发射的第三个探测器。


如果一切顺利的话,在7个月后,它将开始采集火星岩石标本,并将其封装后埋在特定位置,等待NASA取回地球。毅力号还要寻找古代外星生命的迹象,并首次使用麦克风捕获火星的声音。


除此以外,毅力号最让人感兴趣的实验还有:在红色星球上放飞人类第一架外星无人机——Ingenuity。



按照计划,在经过5亿公里的路程之后,毅力号将于2021年2月18日在火星赤道以北的耶泽洛陨石坑(Jezero crater)上着陆,进入火星大气层后,它将张开一个降落伞,随后在两米高度使用火箭悬停,把火星车“吊装”到地面上。与好奇号不同,毅力号有一个自动驾驶系统,可以避开巨大的岩石并把自己引导到安全的位置。


在火星上,毅力号将至少花费一个火星年(约687个地球日)的时间对附近的区域进行探索。


毅力号预定降落的区域。超过38亿年前,一条河从这个位置注入45公里宽的陨石坑,选择这里当然是为了寻找火星古代存在生命的证据。


Ingenuity:火星车派出的侦察兵


使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史,但这些工具都有一些局限性。围绕火星飞行的轨道飞行器能拍到大范围的火星图像,但分辨率不够高;发射到火星表面的火星车拍到的图像分辨率很高,但移动距离有限,而且很多地方不适合火星车进入。


之前,已经有一些人类制造的“火星车”登陆过火星,但是为了适应火星表面平均-63摄氏度,接近外太空的残酷环境,工程师们会让它们行驶得非常缓慢。人们最为熟知的好奇号迄今为止已运行了八年,才累积行驶了22公里,平均一下还没有蜗牛爬得快。


于是,NASA的研究人员就想了一个办法来扩展火星车的视野——无人机。



这架无人机重量仅为1.8公斤,装在探测器的腹部,将在火星的恶劣环境中尝试起飞。这将是人造飞行器在地球以外的星球的首次飞行,或将开辟一条新的太阳系探索之路。


“此次飞行测试的成功将为人类的太空探索添加一个新的维度,”Ingenuity项目负责人、喷气推进实验室负责人MiMi Aung表示。



NASA 黑科技:只有 1% 的大气也能飞


给火星车配一个无人机,其实这个点子不难想到,真正的难点在于:怎么让它飞起来?



火星表面的重力大约只有地球的1/3强(38%),看起来似乎很容易起飞,但有一点非常致命:火星大气的密度只有地球的1%。由于几乎没有空气流动,在火星上获得起飞所需的升力是非常困难的,因此,根据地球空气动力学设计的飞行器在火星上都飞不起来。


如果想在火星上起飞,飞行器必须是超轻的,而且螺旋桨的转速要非常快。但螺旋桨也不能转太快,因为随着速度的增加,风险也会增加。


“没有直升机在这种条件下飞起来过——这大概相当于在地球3万米海拔上起飞,”NASA喷气推进实验室技术组成员、火星无人机项目首席工程师Bob Balaram说道。“螺旋桨不能越转越快,因为它的尖端会接近音速,接下来就是超音速。我们并不想让它达到音速,因为这会加剧湍流效应。”


通常在移动速度接近音速时,会出现一股强大的阻力,使飞行器产生强烈的振荡,这个现象俗称为音障。即使是直升机旋翼的翼尖出现这样的情况也不好处理。顺便一提:火星的音速是240m/s,比地球上还要慢三分之一。


此外,毅力号的设计团队还设定了无人机的尺寸,确定该探测器可以容纳一个叶片直径1.2米的微型无人机。


在弄清楚这些限制之后,NASA喷气推进实验室(JPL)的工程师开始着手设计第一架火星无人机。


他们将无人机的重量限制在1.8千克左右,这得益于轻量级电子设备的进步。如果放在几十年前,轻量级电子计算机、传感器、摄像机、陀螺仪等都还没有被发明出来,造这么一个轻量级无人机几乎是不可能完成的任务。


无人机的最终设计看起来像一只戴着复杂头饰的长腿蜘蛛。它的主体是一个盒子,盒子上伸出四条腿,使机身能够直立。


无人机的顶部安装了四个碳纤维叶片,还有一个太阳能电池板。这些叶片的设计转速可达每分钟2400转。对于无人机来说,这是极快的转速。相比之下,一架传统直升机每分钟的转速仅为450到500。


Ingenuity 无人机和你的笔记本电脑差不多重,不知道里面承载了多少黑科技。


然而,无人机造出来只是成功了一半,重点是要确保它能在火星上飞起来。“除了设计,你还要考虑一个问题:“怎么测试?”因为之前没有人这么做过。”MiMi Aung表示。



幸运的是,NASA的JPL实验室配置了可以用于这项工作的巨大测试室。这是一个名为“空间模拟器”的巨大房间,它可以创造一个完全真空的环境,还可以模拟无人机在离开地球之后可能面临的各种极端气温。为了模拟火星大气,他们将空间模拟器抽成近乎真空的环境,然后再往里填二氧化碳,这样就得到了类似火星的大气密度。


除了大气,重力也是一个要解决的问题。为了模拟火星上的重力,工程人员给无人机系上了一根细绳。这根细绳及相关装置叫做Gravity Offload System,可以提供向上的拉力。


在最初的几次飞行测试中,研究小组发现,测试无人机的叶片总是不停地上下摆动。由于叶片比较细长,这种摆动的倾向也发生在地面直升机上,但是厚重的大气减弱了这种影响。


为了解决这个问题,他们把螺旋桨的叶片做得非常硬,比地球上同等大小的普通直升机要硬得多。


该团队在各种极端条件下进行了数十次飞行测试,最低测试温度达到零下90度。测试完成后,他们将无人机折叠起来,放入了毅力号探测器。


在毅力号到达火星并找到合适的位置之后,它会将Ingenuity放出来,让它独立完成任务。


毅力号将 Ingenuity 放到火星表面后扬长而去。


火星上的莱特兄弟时刻


“如果成功,它将与莱特兄弟飞行成功的一刻媲美。”MiMi Aung说道。在毅力号登陆火星后90天远程自检的时间段里,她的团队有一个月的时间来试飞无人机。在未来,我们或许可以看到无人机在遥远的火星上搜寻宇航员,执行各种任务。



“Ingenuity”计划将完成四次短途飞行,每次起飞都会有更大更远的目标,计划内每次飞行时间不会超过90秒。但在短短的时间里,Ingenuity可以飞到4.6米高,水平移动距离约50米。


由于地球和火星之间的通信有很长时间的延迟(单向3~22分钟),所有这些飞行都必须是自主的。设计团队将向无人机发送一个指令列表,由它自己执行所有步骤。在计划中,无人机会在飞行时捕捉图像,而毅力号也有可能拍下一些Ingenuity盘旋在空中的图像。



作为史上第一个在外星起飞的无人机,“Ingenuity”执行的任务主要是技术验证,证明飞行器在未来的火星任务中具有价值。


虽然刚刚发射上天,但工程师们已经开始着手设计更大的、重量在 20 公斤左右的无人机。Ingenuity 的下一代将可以携带比现在更重要的科学载荷和更好的相机。“但在学会走路之前,你必须先尝试爬行。这就是Ingenuity的意义所在,”Balaram 说道。“希望我们能够实现‘莱特兄弟式’的成功时刻,在另一个星球上首次完成可控飞行。”


参考内容:

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02257-w

https://www.theverge.com/2020/7/29/21339544/nasa-mars-helicopter-ingenuity-perseverance-rover-flight-date


本文来自微信公众号:机器之心(ID:kexuedayuan),编辑:张倩、泽南

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