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        NASA機(jī)智號火星無人直升機(jī)成功首飛,創(chuàng)造人類航天又一里程碑

        2021-07-01 01:00:02雨行
        國際太空 2021年5期
        關(guān)鍵詞:人類

        機(jī)智號(Ingenuity)是美國國家航空航天局(NASA)研制的一架火星無人直升機(jī),于2021年2月18日搭乘毅力號(Perseverance)火星車登陸火星。4月4日,機(jī)智號順利從毅力號腹部釋放到火星表面,然后獨自經(jīng)歷了火星夜晚-90℃的嚴(yán)寒考驗。4月19日,機(jī)智號無人直升機(jī)成功完成了在火星上的首次飛行,并成功降落在火星萊特兄弟機(jī)場。這是人造航空器首次在另一個行星上受控飛行,其主要用途不是進(jìn)行科學(xué)考察,主要用于驗證在火星大氣層中飛行所需的技術(shù),為研發(fā)機(jī)器人或人類探索火星時攜帶的先進(jìn)飛行器打下基礎(chǔ)。機(jī)智號成功在火星上首飛,距離萊特兄弟在地球上首次試飛人造飛行器僅過去了118年!

        這項試飛工作原本打算在30天后結(jié)束,其間擬最多做5次飛行。但因機(jī)智號表現(xiàn)良好,且“身體狀況”仍然很不錯,NASA做出了延長其任務(wù)的決定,即讓機(jī)智號以不會減慢毅力號科學(xué)工作節(jié)奏的方式來飛行,未來還將做兩次飛行。

        1 機(jī)智號簡介

        機(jī)智號是一種小型雙螺旋直升機(jī),質(zhì)量約1.8kg,有4片旋翼,由太陽能電池板為鋰電池充電。底部安裝有兩個攝像頭,一彩色,一黑白,可以拍攝火星車難以到達(dá)的火星表面,并與火星車相互記錄對方的活動。

        火星的表面引力約為地球的1/3,氣壓只有地球氣壓的1%,空氣非常稀薄。為了能在稀薄的火星大氣層中飛行,機(jī)智號直升機(jī)旋翼旋轉(zhuǎn)角速度達(dá)到了2400r/min,這個速度是地球上客運(yùn)直升機(jī)的8倍左右。其水平移動的速度為10m/s,爬升速度為3m/s。

        這架小直升機(jī)靠頂部的太陽電池板進(jìn)行充電,電能儲存在鋰離子電池中,充電一天,大概能夠飛行90s,飛行距離最長300m,飛行高度最高5m。

        “火星2020”(Mars 2020)任務(wù)為機(jī)智號試驗工作預(yù)留了30個火星日(相當(dāng)于地球31天)的時間。測試機(jī)智號的主要目的是證實在火星上飛行是否可行,因此沒有特別攜帶的科研儀器,只用攜帶的相機(jī)拍攝的照片來協(xié)助科學(xué)家規(guī)避毅力號前方的障礙物。機(jī)智號的飛行開啟了火星探測的新篇章,讓未來“直升機(jī)型”的火星探測器成為選項之一,打破目前火星探測車在行走距離上的限制。

        火星上的機(jī)智號無人直升機(jī)(來源:NASA/JPL)

        傳回地面的機(jī)智號首飛圖片(來源:NASA/JPL)

        2 飛行任務(wù)

        機(jī)智號首飛多次被推遲

        機(jī)智號原計劃于4月11日在火星上進(jìn)行首飛,毅力號上的幾個鏡頭都準(zhǔn)備好迎接這歷史性時刻。然而,在測試中卻發(fā)現(xiàn)機(jī)智號的旋翼系統(tǒng)存在問題,因而推遲到4月14日。而4月14日,機(jī)智號的計算機(jī)軟件又出現(xiàn)故障,NASA又為其重新安裝了飛行控制軟件,首飛時間推遲到4月19日。

        首飛,人類航天又一突破

        4月19日,機(jī)智號在火星上成功完成了首次飛行,這是人造航空器首次在另一個行星上受控動力飛行。從火星傳回地球的數(shù)據(jù)顯示,機(jī)智號完成了持續(xù)約40s的火星首飛,在垂直上升3m后,執(zhí)行了懸停、下降和著陸等所有設(shè)定動作。機(jī)智號首飛目的是為了證明在火星稀薄的大氣中動力飛行的可行性。

        機(jī)智號首飛成功完成了幾個人類探索太空的里程碑:首先,人類首次火星無人機(jī)飛行并安全著陸火星表面;其次,能夠在火星寒冷的夜晚實現(xiàn)溫度的自主調(diào)整,并自行利用頭上的太陽能電池板充電;第三,通過火星車上的直升機(jī)基地與直升機(jī)自動完成信息的相互傳輸。

        毅力號火星車拍下的機(jī)智號,背景是火星凹凸不平的土黃色砂石表面(來源:NASA/JPL)

        第二次飛行,多方面表現(xiàn)全面提升

        4月22日,機(jī)智號成功完成火星上第二次飛行,在飛行高度、時長和難度等多方面表現(xiàn)均超過第一次。

        05:33,機(jī)智號自動從火星表面起飛,上升過程中還激起了一陣塵土。它首先飛到4.9m的高度,然后機(jī)身傾斜5°,并向一側(cè)移動了2.1m,盤旋,轉(zhuǎn)向,將其攜帶的彩色相機(jī)指向不同方向,最后回到出發(fā)點下降,并安全著陸。此次飛行共持續(xù)了59.1s。地球任務(wù)控制中心大約4h后開始接收到相關(guān)數(shù)據(jù)。

        與首飛僅拍攝黑白圖像不同,機(jī)智號第二次飛行還拍攝了彩色“照片”,但傳回地球的首批“照片”仍為黑白,顯示它懸停在空中時落在火星表面的影子里。

        第三次飛行,飛得更快更遠(yuǎn)

        4月25日,機(jī)智號進(jìn)行了第三次試飛,其飛行速度和距離較之前有了明顯的提升。機(jī)智號從基地往北飛了50m,飛行高度維持在5m,速度最高達(dá)到2m/s,整個測試往返的航程為100m,在空中停留的時間差不多是80s。相比前兩次試飛,機(jī)智號第三次飛行的表現(xiàn)顯然又大膽了許多。

        不過按照NASA計劃負(fù)責(zé)人的說法,機(jī)智號剩下的兩次飛行才是“真正的冒險”,NASA將會探索這架直升機(jī)的極限。之后,NASA會將重心放到毅力號的主要任務(wù)上。此次飛行,機(jī)智號已經(jīng)證明在火星大氣密度極低的環(huán)境中飛行的可行性,這對未來的火星探測任務(wù)有重要意義。

        第四次飛行,將過渡到任務(wù)新階段

        4月30日,機(jī)智號成功完成了第四次飛行,飛行距離再創(chuàng)紀(jì)錄。

        10:49,機(jī)智號成功起飛,爬升到了約5m的高度,然后向南飛行了大約133m,接著返回,來回總計飛行了約266m,一共持續(xù)了117s,再次創(chuàng)下紀(jì)錄。

        NASA原計劃在4月29日讓機(jī)智號啟動第四次飛行,但是一個無損害性的軟件故障導(dǎo)致機(jī)智號無法從“飛行前模式”切換到“飛行模式”。NASA工程師預(yù)計,在飛行嘗試時,有15%的機(jī)率會出現(xiàn)這一問題。

        另外,NASA同時宣布機(jī)智號被賦予了一項新任務(wù)。在證明能夠在火星上進(jìn)行動力控制飛行后,機(jī)智號很快將進(jìn)入一個新的運(yùn)行驗證階段,探索空中偵查和其他功能如何在未來的火星和其他星球探索受益。

        第五次飛行,轉(zhuǎn)戰(zhàn)新機(jī)場

        5月7日,機(jī)智號正在探測那顆紅色星球上的一座新機(jī)場,并完成了其第五次火星飛行。直升機(jī)從杰澤羅環(huán)形山底部起飛,爬升到了5m高度,并向南飛了129m,路線與第4次飛行相同。

        但與前4次飛行不同的是,本次飛行是一次單程旅行。在到達(dá)目的地上空后,機(jī)智號又爬升到了10m高度,并拍攝了一些照片,然后降落到了一個新位置,從而結(jié)束了這次歷時108s的飛行,同時開啟了一段新的探索征程。本次飛行10m的高度是其此前達(dá)到過的最大飛行高度的2倍。

        本次飛行讓機(jī)智號轉(zhuǎn)入了一個新的階段。在這一階段,機(jī)智號將展現(xiàn)旋翼機(jī)為火星車充當(dāng)偵察兵的能力。新機(jī)場位于毅力號原先規(guī)劃好的行動路線上,所以機(jī)智號在飛行中拍攝的照片可能會有助于毅力號團(tuán)隊選取最高效的路徑,甚至?xí)兄诖_定有探測意義的巖石目標(biāo)。

        機(jī)智號第四次飛行(來源:NASA/JPL)

        3 結(jié)語

        機(jī)智號的首飛意義不亞于萊特兄弟首次在地球上試飛人造飛行器,將為人類探索宇宙帶來新的“利器”,它為人類未來的深空探測任務(wù)打開了一扇大門?,F(xiàn)在各國的探測器著陸之后,都是采用的探測車進(jìn)行探測,十分緩慢,如果采用無人機(jī),效率將會成倍提高。人類一旦完全掌握在空氣稀薄的環(huán)境下依托飛行的方式進(jìn)行科學(xué)考察,就能適用于現(xiàn)在已知和能夠到達(dá)的絕大部分星球。

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