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人类首次在火星上起飞直升机,为何只能飞5米高?

来源:中国科普博览

火星作为太阳系中与地球最为相似的行星,一直吸引着各国航天科学家们的目光。今年,又一个火星探测窗口期到来,在阿联酋的希望号与中国的天问一号相继发射升空之后,美国宇航局(NASA)也于7月30日,在卡纳维拉尔角空军基地SCL-41工位发射了毅力号火星车(Perseverance Rover),这也是他们发射的第二辆核动力火星车。

美国宇航局拥有悠久的火星探测历史,而此次发射的毅力号火星车比它的前辈们多了一个引人注目的装备——一架名叫灵巧号(Ingenuity)的直升机,而这也将是人类第一次在火星上起飞直升机。下面,我们就带大家来了解一下毅力号和它搭载的直升机,以及它们将在火星上开展的工作。

毅力号和它繁重的火星探测任务

毅力号火星车的本次发射使用了阿特拉斯V 541火箭,作为一个两级火箭,阿特拉斯V 541火箭已经承载了11次火星任务的发射,包括2005年火星勘测轨道飞行器、2011年与2013年的火星探测器以及洞察号的发射等,堪称火星任务的得力助手。

在阿特拉斯V 541发射升空后50至60分钟后,毅力号与上面级分离,直接进入地火转移轨道。预计在明年2月18日在火星表面着落,着陆区为杰泽罗(Jezero)撞击坑,这里在数十亿年前曾经是一个三角洲,宽度为45公里,与长三角有些类似,是一种冲击盆地,在它的周围还有陡峭的悬崖。

毅力号火星车大约会花费213天前往火星,航程为4.97亿公里,在巡航阶段,火星车和降落隔热装置会形成一个整体。从航程上看,毅力号的路程偏远了一些,这是因为航天器上还有一些地方没有彻底灭菌,如果毅力号火星车的轨道直指火星,却不幸出现故障坠毁在火星上,可能污染火星表面。因此毅力号专门搭载了机动发射巡航级推进器,来及时改变自己的轨道。

毅力号将采用天空起重机技术降落火星,这与它的前辈——好奇号是一样的。整个降落过程大约为7分钟,毅力号的速度将从每小时1.95万公里降至零。下降过程中,前端隔热屏的温度可达到1300摄氏度。

与好奇号不同的是,美国宇航局设计了一种更先进的测距触发装置来控制毅力号着陆器的降落伞打开时间,这个装置能让毅力号在距离火星表面9至13公里高度时打开降落伞,这时的速度为每秒420米。当速度降低到每秒0.75米时,隔热保护装置的降落伞会被抛弃,同时启动8台可节流的喷射反推发动机。8台反推发动机启动之后,距离地面的高度会降低到20米,此时天空起重机将伸出缆绳,将毅力号送到火星表面。

好奇号车长为3米左右,重量为1.025吨,毅力号比好奇号增加了126公斤。主要任务是对火星远古时期的宜居性进行评估、寻找火星上的微生物痕迹、收集杰泽罗(Jezero)撞击坑的岩层样本。为此,毅力号配备了长达2米的机械臂,可抓取30公斤的岩石,机械臂顶端有相机、分析仪、凿岩机等,可对钻取的岩层物质进行切割,并且放置在样品管中。因此不难判断,毅力号这次前往火星的任务将非常繁重,而如果这些任务能成功地进行,将为NASA的下一个火星任务打下坚实的基础。

首次搭载的火星直升机

毅力号火星车上最引人注目的载荷是一架火星直升机——灵巧号,这架直升机重量仅有1.8公斤,非常小,造价却高达8000万美元。不过它本身值得起这个身价,因为它是人类第一次在火星上部署的直升机,也是第一个地外天体航空器。

麻雀虽小五脏俱全,别看这架火星直升机小,它身上的设备可是非常齐全。从整体来看,直升机包括了双旋翼转子系统、太阳能电池板、起落架、还有机身组件等结构。直升机的转子使用了4叶碳纤维叶片制成,直径为1.2米的共轴反转旋翼,转速可达每分钟约2400转。飞行时,机载的无线电系统可以让它在1公里内与火星车保持通信,同时直升机上还装有导航传感器,用来找火星车,以及彩色和黑白的两个摄像头。

灵巧号的表面结构经过火星大气压力测试,能够在火星零下上百度的环境中完好无损,同时还内置了加热装置,可确保仪器时刻处于工作温度。在没有飞行的时候,灵巧号可停靠在火星车上。由于火星距离地球有4亿多公里,无法通过操纵杆直接操控直升机,灵巧号的起飞、降落需要自主进行,因此NASA还对直升机的算法进行了优化,提高了它的生存能力。

独创性的火星直升机虽然可以自主起飞,但是飞行时间有限,每次飞行时间要被控制在90秒之内,最大上升高度为5米,最远飞行距离为50米,无法飞得更远更高。同时,飞行次数也受限制,大约可以飞行6次,但对于首次登上火星的直升机来说,能有这样表现就已经足够出色了。

灵巧号的首次试飞将从2021年春季开始,也就是在毅力号降落火星之后的2个半月之后。它的任务目标是首次进行火星大气中的飞行演示,由于火星大气稀薄,密度仅为地球的1%,且引力也只有地球的三分之一,因此在火星大气中飞行要产生升力很难,飞到5米高的地方就已经相当于在地球上的3万米高空飞行。

NASA对这次演示性飞行并没有提出科学探测的要求,只是希望这次积累的技术能够在未来的火星任务中得到应用。比如研制能够在火星大气中长时间飞行的航空器,以扮演机器人侦察机的角色,对前方地形进行勘测,避免火星车,以及未来可能登陆火星的宇航员陷入糟糕的地形中。

1996年美国就已经发射了第一辆火星车,这辆被命名为探路者号的火星车在1997年抵达火星,当时火星车上也只搭载了3种仪器,科学调查能力有限。相比之下,2003年发射的机遇号和勇气号则取得了更大的成就——它们共同发现了火星曾经有液态水流过的证据,证明火星在数十亿年前曾经有过海洋。

此后的好奇号火星车的主要任务就变成了调查火星微生物,虽然它在盖尔撞击坑的调查表明火星上可能没有甲烷的生物释放源,但是好奇号也发现了火星岩土中存在1.5%至3%的水分,这也说明火星是可以支持人类殖民生存的。而毅力号将继承前辈们的衣钵,使用更先进的设备,在一个更有可能存在微生物的地区,来寻找火星上存在微生物的证据。希望这些火星探测任务都能有所收获,也相信在几代人的不断地努力下,人类终有一天,能实现移民火星的梦想。

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