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1%大气密度也能飞?NASA把无人机送上火星,最具野心探测计划启动!

时间:2020-08-02 13:28来源:机器之心 作者:中国通航 点击:
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       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。
 
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