距离火星越来越近:NASA将发射新探测器,直升机

类别:行业新闻    发布时间:2020-07-02 03:56

美国宇航局(NASA)的航天器即将在另一个星球上升空。作为今年夏天进行的火星探索任务的一部分,NASA将尝试做些以前从未做过的事情:操控直升机穿过火星稀薄的大气层。如果成功,这架名为独创号(Ingenuity)的小型直升机将为未来的机器人探测器创造鸟瞰火星和太阳系其他星球的新途径。

在火星上飞行面临着诸多挑战,因为那里没有太多的空气可以产生足够升力。在火星表面,大气层的密度只有地球的1/100,但较小的重力(约为地球1/3)有助于升空。不过,从火星表面起飞相当于在地球上30480米的高度飞行。地球上从来没有直升机飞得那么高,这个海拔也是喷气式客机通常飞行高度的两倍多。

独创号将与火星探测器毅力号(Perseverance)同时前往火星,后者将是NASA派遣到这颗红色星球上的第五辆机器人探测车。这项任务计划于7月20日发射,也是今年前往火星的三项任务之一。

在上周的新闻发布会上,NASA局长吉姆·布里登斯廷(JimBridenstine)在预览毅力任务时,特别强调了独创号的重要性。他说:“我要告诉你们,作为一名NASA管理人员,最让我兴奋的事情是准备观看直升机在另一个世界上飞行。”

对于在另一个星球上的机器人探测器来说,四处移动的能力为它们提供了巨大的优势。行星科学家不再拘泥于盯着一个地方。探测车可以穿越这片风景,停下来近距离观察有趣的岩石。这种自由是获得目前对早期火星理解的关键,即这颗现在又冷又干的星球曾经是潮湿的,至少拥有些可能适合生命居住的环境。

独创号本质上是旅居者号的空中版本,它展示了一种新技术,这种技术可能会在以后的任务中得到更广泛的应用。独创号的主体部分大约与垒球大小相当,有四条细长的腿伸出。两组叶片(长约10厘米)以相反的方向旋转。它只有1.8公斤重,高约46厘米。

有些技术进步,比如电子产品的微型化、储存更多能量的电池,以及可以做成轻质叶片的材料,终于让火星飞行器的梦想在技术上成为了可能。而将这种可能性转化为一架正常功能的直升机花了研究人员数年时间进行反复试验。

到2014年底,工程师们已经建造出小型原型。这架微型直升机被放置在一个房间里,那里的大部分空气被吸出,以复制火星大气的密度。因为还没有编写直升机飞行控制软件,团队中的一名成员试图用操纵杆来引导其运动,就像业余爱好者驾驶无人机一样。然而当桨叶旋转时,虽然直升机升起了,但随后立即失去了控制。

叶片在以每分钟2000到3000转的速度旋转时会上下弹跳。在地球上,空气对叶片的压力会使弹跳最小化。但在火星稀薄的大气中,弹跳造成了不稳定,使得直升机的运动很难控制。解决方案原来是让叶片稍微坚硬一些,但这会增加重量。

这项工程涉及一系列折衷方案,以适应直升机尺寸、重量和电池电量的限制。与此同时,格里普带头开发了计算机算法,这些算法将能够足够快地操纵和调整直升机的飞行,以自动对火星上不断变化的大气条件做出反应。

2016年5月,下一架直升机原型准备就绪。在模拟透明火星大气层的同一个房间里,直升机上升,然后稳定地盘旋并实现了软着陆。有史以来第一次,一架直升机原型在模拟火星大气条件下进行了控制飞行,尽管它仍然连接着外部电源和计算机。

完整的设计,包括电池、高通骁龙处理器,与手机、通信系统和传感器完全集成在一起,于2018年1月准备就绪。为了模仿火星较弱的重力,一个滑轮向上拉以抵消部分地球引力。房间里的空气密度再次下降。但这一次,没有留下少量的地球空气,而是注入了少量二氧化碳,这是火星大气的主要成分。

当明年2月份,即毅力号登陆火星大约两个月后,研究人员将对独创号开始测试。毅力号会找到一个合适的平坦地方,把直升机释放到地上,然后开到至少100米远的地方。米米·昂说:“直升机再也不会回到探测器中。”

在随后的30天内,直升机将进行最多5次飞行,但其大部分时间都会坐在那里等待太阳能电池板给电池充电。

首次飞行是上升数十厘米,盘旋30秒,然后着陆。随后的飞行将会更长、更高、更远。在第五次飞行中,如果一切正常,独创号将升空约4.6米,飞出150米远,然后回到它开始的地方。它有两个摄像头:一个是向下的黑白摄像头,用于跟踪它所在的位置;另一个是彩色摄像头,用于观察风景。这次飞行将持续一分半钟。

一旦飞行完成,独创号将留在最后的着陆点,毅力号将驱车完成剩余的任务。米米·昂说,这项技术可以应用到更大的飞行器上,重量最高可达13.6公斤,而不仅仅是1.8公斤。这样的直升机可能足够大,可以携带更重的相机和其他仪器。

NASA已经计划向土星最大的卫星Titan(土卫六)发射一架核动力旋翼机——蜻蜓号(Dragonfly)。但土卫六的大气层很厚,因此在那里飞行不会带来与火星相同的技术挑战。

即使未来的直升机前往火星,它们几乎可以肯定永远不会成为那里的宇航员可行的交通工具。米米·昂称:“你不会想到把它扩展到可以像在地球上那样载人飞行的地方,毕竟那里没有足够的大气。”