文/ 黃志澄

▲ 美國(guó)“毅力號(hào)”火星車與“機(jī)智號(hào)”火星直升機(jī)模擬圖

美國(guó)毅力號(hào)火星車于美國(guó)東部時(shí)間2021 年2 月18 日3 時(shí)43 分，在火星赤道以北的杰澤羅隕石坑成功著陸，并傳回火星圖片。它將至少花費(fèi)一個(gè)火星年（約687地球日）對(duì)著陸區(qū)域進(jìn)行探索。

“毅力號(hào)”是繼好奇號(hào)火星車之后，美國(guó)宇航局（NASA）造訪火星表面的第九個(gè)探測(cè)器，第五輛漫游車?！耙懔μ?hào)”任務(wù)的目標(biāo)包括尋找火星遠(yuǎn)古時(shí)期可能存在過的生命跡象，探索火星的地質(zhì)和氣候特征，收集巖石和土壤樣本以供未來送回地球，以及為未來機(jī)器人和人類探索火星積累技術(shù)等。

“毅力號(hào)”腹部帶有首架火星直升機(jī)——“機(jī)智號(hào)”。它將是在火星天空翱翔的首架人類直升機(jī)?，F(xiàn)在我們來探究一下這架小巧的火星直升機(jī)。

機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)的性能如何？

機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)構(gòu)造輕巧，重量只有約1.8 千克，旋翼寬度為1.2 米。它能夠通過直升機(jī)接近頂部的太陽(yáng)能板為鋰電池充電，飛行過程中的平均功率約為350 瓦。美國(guó)宇航局表示，在為期30 天的飛行測(cè)試中，“機(jī)智號(hào)”最多進(jìn)行5次飛行，并逐步延長(zhǎng)飛行距離。在首次飛行中，它將垂直爬升到3 米，在空中盤旋大約30 秒。最長(zhǎng)飛行時(shí)間90 秒，最長(zhǎng)飛行距離300 米，最高飛行高度約5米。即使“機(jī)智號(hào)”試驗(yàn)失敗，“毅力號(hào)”的總體任務(wù)也不會(huì)受到影響。

機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)是怎樣命名的?

美國(guó)宇航局曾為2020 年發(fā)射的火星車征集了來自28000 份美國(guó)中學(xué)12年級(jí)學(xué)生的提名?！皺C(jī)智號(hào)”（Ingenuity）這個(gè)名字最早是阿拉巴馬州的女高中生Vaneeza Rupani 為火星2020 火星車起的名字，在美國(guó)宇航局將火星車命名為“毅力號(hào)”(Perseverance)之后，該局覺得把“機(jī)智號(hào)”用在火星直升機(jī)上再合適不過，這是對(duì)火星直升機(jī)研制團(tuán)隊(duì)最合適的嘉獎(jiǎng)。人們?cè)谔仗剿魉鞯倪^程中要克服很多困難和挑戰(zhàn)，機(jī)智是人們完成這些任務(wù)的必備品質(zhì)。

機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)的任務(wù)是什么？

美國(guó)宇航局表示，這次“機(jī)智號(hào)”的唯一任務(wù)是驗(yàn)證火星無人直升機(jī)技術(shù)，為未來機(jī)器人或人類探索火星時(shí)攜帶的先進(jìn)飛行器打下基礎(chǔ)。那么，美國(guó)宇航局為何要發(fā)展火星無人直升機(jī)呢？

由于火星距離地球太遠(yuǎn)，操控火星車十分困難。根據(jù)火星與地球間的相對(duì)位置的不同，信號(hào)需要8 ～42 分鐘才能實(shí)現(xiàn)往返。因此，預(yù)編程序必須被發(fā)送到火星車上，然后由火星車自動(dòng)執(zhí)行程序。當(dāng)然，火星車也能夠借助車載計(jì)算機(jī)處理導(dǎo)航攝像機(jī)拍攝的圖像，并自主測(cè)定速度、判斷障礙物和危險(xiǎn)。它甚至能夠繪制前往特定目標(biāo)的安全路線。

▲ 女高中生Vaneeza Rupani 為火星車起的名字

▲ “機(jī)智號(hào)”安裝于“毅力號(hào)”“腹部”

▲ “毅力號(hào)”腹部下面的機(jī)智號(hào)無人直升機(jī)

▲ “機(jī)智號(hào)”在地面進(jìn)行測(cè)試

▲ “毅力號(hào)”著陸地點(diǎn)圖像，上面可看到漫游車的6 個(gè)車輪之一

實(shí)際上，“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車，以前一種方式能夠在一小時(shí)內(nèi)行駛124 米。但是采用這種模式并不安全。若火星車用后一種自主模式，行動(dòng)會(huì)更加安全，但由于所有的圖像都需要處理。其行動(dòng)則要緩慢得多。在這種自主模式下，一小時(shí)只能行駛10 米?！昂闷嫣?hào)”單日行駛最長(zhǎng)距離為144 米，“機(jī)遇號(hào)”單日行駛最長(zhǎng)距離為224 米。如果地面指揮者能夠提前獲得一個(gè)更好的路線，他們就能夠編輯指令，讓未來的火星車能獲得更大的單日行駛距離。

由此，美國(guó)宇航局提出了無人直升機(jī)的想法。這種無人機(jī)能夠每天在火星車前飛行。它獲取的空中圖像，能夠讓地面指揮者能夠更好計(jì)劃火星車的行駛路線。

“機(jī)智號(hào)”將是在另一個(gè)世界上進(jìn)行的首次動(dòng)力飛行，也可以說是21 世紀(jì)的“萊特兄弟時(shí)刻”。這次試驗(yàn)如果成功的話，飛機(jī)就可以把科學(xué)儀器帶到火星車無法前往的地方，比如懸崖兩側(cè)或陡峭隕石坑壁上的裸露冰層。它還可以架設(shè)攝像機(jī)來搜索更多地點(diǎn)，以便讓未來的火星車和航天員走得更遠(yuǎn)更安全。

毅力號(hào)火星車是怎樣支持“機(jī)智號(hào)”的？

在飛往火星的旅途中“機(jī)智號(hào)”將棲身于“毅力號(hào)”腹部， 并由一個(gè)防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)，避免在下降過程中損壞。當(dāng)“毅力號(hào)”著陸火星并抵達(dá)合適的地點(diǎn)后的60到90個(gè)火星日之間，“機(jī)智號(hào)”將從“毅力號(hào)”的底部開始部署?！皺C(jī)智號(hào)”的防護(hù)罩首先會(huì)脫落，解鎖釋放系統(tǒng)后將直升機(jī)放正，此時(shí)直升機(jī)槳葉朝上，著陸腿朝下，在解鎖著陸腿之后將直升機(jī)放置到火星表面上。然后火星車就會(huì)行駛到一個(gè)安全的地方。

“機(jī)智號(hào)”無法和地球聯(lián)絡(luò)，“毅力號(hào)”將充當(dāng)“機(jī)智號(hào)”的遠(yuǎn)程通信中繼器，接收來自地球上工程師的指令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給“機(jī)智號(hào)”。然后，“機(jī)智號(hào)”將向“毅力號(hào)”發(fā)送有關(guān)自身性能的圖像和信息，“毅力號(hào)”再將它們發(fā)送回地球。

為何在火星上首飛的航空器是無人直升機(jī)？

早在上世紀(jì)50 年代，航天先驅(qū)沃納·馮·布勞恩就勾勒出一幅有著又長(zhǎng)又大機(jī)翼的飛機(jī)降落在火星的場(chǎng)景。1999 年年初，美國(guó)宇航局計(jì)劃派遣一個(gè)小型遙控飛機(jī)去火星，并計(jì)劃于2003 年12 月17 日到達(dá)火星，以紀(jì)念萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)100 周年?？上г诓痪弥?，美國(guó)宇航局接連損失兩個(gè)火星探測(cè)器，研發(fā)火星無人機(jī)的計(jì)劃被迫中斷。

美國(guó)宇航局艾姆斯中心在2001 年論證了利用無人直升機(jī)（旋翼機(jī)）探測(cè)崎嶇的火星表面的可行性，并研究了無人機(jī)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、新型動(dòng)力系統(tǒng)、自主飛行等關(guān)鍵技術(shù)，并預(yù)測(cè)了質(zhì)量10～50千克無人直升機(jī)的旋翼轉(zhuǎn)速、飛行效率和工作時(shí)間。同時(shí)，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)2004 年在對(duì)比了各類火星無人機(jī)的飛行原理、結(jié)構(gòu)形式及適應(yīng)性能之后，將無人直升機(jī)列為火星無人機(jī)研究的重要方向，并對(duì)該類無人機(jī)飛行的可行性、空氣動(dòng)力學(xué)特性、旋翼系統(tǒng)的懸停特性進(jìn)行了全面的研究和地面試驗(yàn)。

▲ 美國(guó)宇航局火星無人直升機(jī)的原型

美國(guó)宇航局在綜合分析比較火星無人飛機(jī)和無人直升機(jī)的任務(wù)、可行性和支持經(jīng)費(fèi)之后，決定在2020 年的火星任務(wù)中列入火星直升機(jī)項(xiàng)目，并決定由JPL 組織團(tuán)隊(duì)來實(shí)施。若這次試驗(yàn)成功，這將意味著美國(guó)成為第一個(gè)在外星上實(shí)現(xiàn)有動(dòng)力航空飛行的國(guó)家。

火星直升機(jī)和地球上飛行直升機(jī)有何不同？

火星上的無人直升機(jī)要面臨特殊的考驗(yàn)。一方面火星引力為3.71 米/秒，只有地球的38%，因此直升機(jī)不需要產(chǎn)生與地球上相同的懸浮力。另一方面直升機(jī)的螺旋槳葉片，通過向下推動(dòng)空氣而產(chǎn)生浮力，這在火星上更加難以操控。這是因?yàn)榛鹦堑拇髿鈱硬煌诘厍虻拇髿鈱?，它的密度只有地球大氣層?%。火星飛行器的飛行雷諾數(shù)（Re）約為103～104，要比地球上飛行器的飛行雷諾數(shù)小兩個(gè)量級(jí)，因此火星直升機(jī)在火星上飛行就相當(dāng)于在地球上30千米高空飛行。

為此，火星上無人直升機(jī)的旋翼需要更加快速的旋轉(zhuǎn)，才能產(chǎn)生足夠的升力。“機(jī)智號(hào)”采用雙葉片共軸對(duì)稱旋翼，其轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘2800 轉(zhuǎn)，是地球上直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速的10 倍。為了提高在火星條件下旋翼的升阻比和效率，美國(guó)宇航局采用了極薄的較大弧度的翼型。為了保證旋翼有足夠的強(qiáng)度和剛度，旋翼采用了高強(qiáng)度復(fù)合材料。

火星大氣稀薄，旋翼升力隨旋翼轉(zhuǎn)速變化的幅度遠(yuǎn)小于在地球環(huán)境的變化幅度，因而火星無人直升機(jī)的飛行姿態(tài)調(diào)整過程比較遲緩。同時(shí)，火星風(fēng)、火星塵暴等也將嚴(yán)重影響它的飛行穩(wěn)定性。這就要求它對(duì)火星惡劣而多變的環(huán)境，能夠進(jìn)行快速調(diào)整，以保證飛行安全。此外，由于通信信號(hào)傳輸?shù)难舆t，火星無人直升機(jī)要有很強(qiáng)的自主判斷和執(zhí)行能力。由于它在飛行中無法使用GPS 導(dǎo)航，這就要求以火星車或火星衛(wèi)星作為基站，實(shí)現(xiàn)它的自主導(dǎo)航。目前火星無人直升機(jī)的控制，主要是通過調(diào)整翼端路徑平面與無人機(jī)質(zhì)心的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向控制和姿態(tài)調(diào)整。目前，火星無人機(jī)對(duì)姿態(tài)變換響應(yīng)的控制技術(shù)和無GPS 時(shí)的自主導(dǎo)航技術(shù)等問題，仍未得到有效的解決。由此可見，火星無人直升機(jī)的飛行控制技術(shù)，將面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

▲ 美國(guó)宇航局對(duì)火星無人直升機(jī)任務(wù)的設(shè)想

“機(jī)智號(hào)”如何適應(yīng)火星的環(huán)境？

“毅力號(hào)”著陸點(diǎn)杰澤羅隕石坑白天的溫度可達(dá)30℃左右，夜間溫度可低至零下90℃。因此，火星無人直升機(jī)的各種器件，必須經(jīng)受反復(fù)的冷熱交替。如何在寒冷的火星夜晚生存下來也成為“機(jī)智號(hào)”主要任務(wù)之一。目前的設(shè)計(jì)是直升機(jī)配備一個(gè)加熱裝置，使用鋰電池為其供電，以保障控制系統(tǒng)正常土作。實(shí)際上火星上的沙塵暴，會(huì)導(dǎo)致電池?zé)o法充電，而由沙塵暴產(chǎn)生的細(xì)小沙塵，很可能會(huì)導(dǎo)致火星直升機(jī)很薄的旋翼葉片加速磨損。這些問題雖然在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)有所考慮，但仍須通過飛行試驗(yàn)來驗(yàn)證。

火星直升機(jī)要解決哪些空氣動(dòng)力學(xué)問題？

環(huán)繞“機(jī)智號(hào)”旋翼的氣體流動(dòng)相當(dāng)于地面30 千米上旋翼的繞流，過去研究很少。美國(guó)宇航局組織力量對(duì)此進(jìn)行了較深入的分析研究?；鹦菬o人直升機(jī)的旋翼在低雷諾數(shù)條件工作時(shí)，流場(chǎng)的黏性效應(yīng)將導(dǎo)致產(chǎn)生層流分離現(xiàn)象。另外，粘性效應(yīng)將導(dǎo)致旋翼后緣流場(chǎng)由層流轉(zhuǎn)捩為湍流；較高的湍流能量又使旋翼后緣的流場(chǎng)中形成分離泡。層流分離將引起旋翼的失速與低頻振蕩，并嚴(yán)重影響其氣動(dòng)性能。實(shí)際上，低雷諾數(shù)對(duì)翼型的升阻特性的影響遠(yuǎn)大于馬赫數(shù)對(duì)翼型升阻特性的影響。研究表明，最大彎度位置為25%，彎度為5%的翼型，在低雷諾數(shù)環(huán)境下將具有最大升阻比。這種翼型能夠弱化其表面流場(chǎng)的層流分離現(xiàn)象，從而使其在較低雷諾數(shù)下，能夠產(chǎn)生更大的升力。

▲ 美國(guó)宇航局火星無人直升機(jī)的地面試驗(yàn)

▲ 美國(guó)宇航局設(shè)想的一種火星無人機(jī)

火星直升機(jī)在地球上如何進(jìn)行試驗(yàn) ？

火星的大氣和重力與地球完全不同，在地面上又不可能完全復(fù)現(xiàn)火星的環(huán)境,因此，在地面模擬火星無人直升機(jī)在火星上的飛行環(huán)境面臨重大挑戰(zhàn)。為此，JPL 建設(shè)了一座直徑為7.62 米、高為26 米的太空模擬室。為了進(jìn)行火星直升機(jī)試驗(yàn)，將其介質(zhì)由空氣改成二氧化碳，其密度為每立方米0.0175 千克。從2016 年5 月開始，JPL 對(duì)重量為850 克的火星直升機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。試驗(yàn)的重點(diǎn)是確定直升機(jī)的推力和功率、關(guān)鍵系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性和自由飛行的控制特性?；鹦菬o人直升機(jī)的旋翼在火星大氣環(huán)境產(chǎn)生升力，與無人機(jī)的自重在同一量級(jí)，且旋翼的升力、扭矩、功率等參數(shù)的變化速率，遠(yuǎn)小于旋翼轉(zhuǎn)速的變化速率。這要求測(cè)試裝置能夠直接測(cè)量旋翼升力或?qū)⑸D(zhuǎn)換為角度、位移等進(jìn)行間接測(cè)量。

2019 年1 月下旬，JPL 對(duì)“機(jī)智號(hào)”的試驗(yàn)樣機(jī)在上述太空模擬室進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間超過75 分鐘。試驗(yàn)盡可能模擬火星上直升機(jī)的運(yùn)行條件，包括低密度環(huán)境和類似火星上的溫度變化，以驗(yàn)證直升機(jī)能否在寒冷的氣溫下生存和正常工作。為了真正模擬在火星上的飛行，必須模擬地球三分之二的引力，研制團(tuán)隊(duì)通過一個(gè)連接到直升機(jī)頂部的機(jī)動(dòng)掛繩的重力卸載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

火星直升機(jī)在未來深空探測(cè)中將發(fā)揮何種作用？

火星無人直升機(jī)技術(shù)是航空和航天技術(shù)融合的一個(gè)范例?！皺C(jī)智號(hào)”的成功飛行，將開啟火星探測(cè)的航空時(shí)代。之后，包括無人直升機(jī)和無人飛機(jī)在內(nèi)的火星無人機(jī)，將會(huì)在火星上空飛行，完成許多火星車難于完成的任務(wù)：無人機(jī)具有較高的飛行速度，能夠極大地提升火星探測(cè)的速度與效率；無人機(jī)具有較廣的探測(cè)能力，能夠擴(kuò)展火星車的探測(cè)范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)火星漫游車難以到達(dá)區(qū)域進(jìn)行深度研究；無人機(jī)具有局部探測(cè)能力，從而避免火星車進(jìn)入沙坑等危險(xiǎn)區(qū)域；未來無人機(jī)還能進(jìn)行定點(diǎn)著陸探測(cè)，能夠輔助火星車完成火星多點(diǎn)采樣任務(wù)。

在未來的太空探索任務(wù)里，無人機(jī)不僅將在火星探測(cè)中發(fā)揮很大作用，還有助于其它深空探測(cè)任務(wù)。如對(duì)土星最大的衛(wèi)星“泰坦”的探索任務(wù)，可以利用無人機(jī)技術(shù)來探測(cè)其地表和大氣。由此可見，火星無人機(jī)的發(fā)展，將為深空探測(cè)開拓一種全新的途徑?！?/p>