人類首次在火星上起飛直升機，為何只能飛5米高？

來源：中國科普博覽

　　火星作為太陽系中與地球最為相似的行星，一直吸引著各國航天科學(xué)家們的目光。今年，又一個火星探測窗口期到來，在阿聯(lián)酋的希望號與中國的天問一號相繼發(fā)射升空之后，美國宇航局（NASA）也于7月30日，在卡納維拉爾角空軍基地SCL-41工位發(fā)射了毅力號火星車（Perseverance Rover），這也是他們發(fā)射的第二輛核動力火星車。

　　美國宇航局擁有悠久的火星探測歷史，而此次發(fā)射的毅力號火星車比它的前輩們多了一個引人注目的裝備——一架名叫靈巧號（Ingenuity）的直升機，而這也將是人類第一次在火星上起飛直升機。下面，我們就帶大家來了解一下毅力號和它搭載的直升機，以及它們將在火星上開展的工作。

毅力號火星車折疊起來的樣子，圖片來源：NASA

　　毅力號和它繁重的火星探測任務(wù)

　　毅力號火星車的本次發(fā)射使用了阿特拉斯V 541火箭，作為一個兩級火箭，阿特拉斯V 541火箭已經(jīng)承載了11次火星任務(wù)的發(fā)射，包括2005年火星勘測軌道飛行器、2011年與2013年的火星探測器以及洞察號的發(fā)射等，堪稱火星任務(wù)的得力助手。

　　在阿特拉斯V 541發(fā)射升空后50至60分鐘后，毅力號與上面級分離，直接進入地火轉(zhuǎn)移軌道。預(yù)計在明年2月18日在火星表面著落，著陸區(qū)為杰澤羅（Jezero）撞擊坑，這里在數(shù)十億年前曾經(jīng)是一個三角洲，寬度為45公里，與長三角有些類似，是一種沖擊盆地，在它的周圍還有陡峭的懸崖。

從維京1號軌道飛行器看到的Jezero隕石坑（右下）（圖片來源：維基百科）

　　毅力號火星車大約會花費213天前往火星，航程為4.97億公里，在巡航階段，火星車和降落隔熱裝置會形成一個整體。從航程上看，毅力號的路程偏遠了一些，這是因為航天器上還有一些地方?jīng)]有徹底滅菌，如果毅力號火星車的軌道直指火星，卻不幸出現(xiàn)故障墜毀在火星上，可能污染火星表面。因此毅力號專門搭載了機動發(fā)射巡航級推進器，來及時改變自己的軌道。

　　毅力號將采用天空起重機技術(shù)降落火星，這與它的前輩——好奇號是一樣的。整個降落過程大約為7分鐘，毅力號的速度將從每小時1.95萬公里降至零。下降過程中，前端隔熱屏的溫度可達到1300攝氏度。

　　與好奇號不同的是，美國宇航局設(shè)計了一種更先進的測距觸發(fā)裝置來控制毅力號著陸器的降落傘打開時間，這個裝置能讓毅力號在距離火星表面9至13公里高度時打開降落傘，這時的速度為每秒420米。當(dāng)速度降低到每秒0.75米時，隔熱保護裝置的降落傘會被拋棄，同時啟動8臺可節(jié)流的噴射反推發(fā)動機。8臺反推發(fā)動機啟動之后，距離地面的高度會降低到20米，此時天空起重機將伸出纜繩，將毅力號送到火星表面。

毅力號火星車搭載的儀器示意圖，圖片來源：NASA

　　好奇號車長為3米左右，重量為1.025噸，毅力號比好奇號增加了126公斤。主要任務(wù)是對火星遠古時期的宜居性進行評估、尋找火星上的微生物痕跡、收集杰澤羅（Jezero）撞擊坑的巖層樣本。為此，毅力號配備了長達2米的機械臂，可抓取30公斤的巖石，機械臂頂端有相機、分析儀、鑿巖機等，可對鉆取的巖層物質(zhì)進行切割，并且放置在樣品管中。因此不難判斷，毅力號這次前往火星的任務(wù)將非常繁重，而如果這些任務(wù)能成功地進行，將為NASA的下一個火星任務(wù)打下堅實的基礎(chǔ)。

　　首次搭載的火星直升機

　　毅力號火星車上最引人注目的載荷是一架火星直升機——靈巧號，這架直升機重量僅有1.8公斤，非常小，造價卻高達8000萬美元。不過它本身值得起這個身價，因為它是人類第一次在火星上部署的直升機，也是第一個地外天體航空器。

毅力號火星車與直升機合照，圖片來源：NASA

　　麻雀雖小五臟俱全，別看這架火星直升機小，它身上的設(shè)備可是非常齊全。從整體來看，直升機包括了雙旋翼轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、太陽能電池板、起落架、還有機身組件等結(jié)構(gòu)。直升機的轉(zhuǎn)子使用了4葉碳纖維葉片制成，直徑為1.2米的共軸反轉(zhuǎn)旋翼，轉(zhuǎn)速可達每分鐘約2400轉(zhuǎn)。飛行時，機載的無線電系統(tǒng)可以讓它在1公里內(nèi)與火星車保持通信，同時直升機上還裝有導(dǎo)航傳感器，用來找火星車，以及彩色和黑白的兩個攝像頭。

　　靈巧號的表面結(jié)構(gòu)經(jīng)過火星大氣壓力測試，能夠在火星零下上百度的環(huán)境中完好無損，同時還內(nèi)置了加熱裝置，可確保儀器時刻處于工作溫度。在沒有飛行的時候，靈巧號可?？吭诨鹦擒嚿稀Ｓ捎诨鹦蔷嚯x地球有4億多公里，無法通過操縱桿直接操控直升機，靈巧號的起飛、降落需要自主進行，因此NASA還對直升機的算法進行了優(yōu)化，提高了它的生存能力。

正在測試中的火星直升機，圖片來源：NASA

　　獨創(chuàng)性的火星直升機雖然可以自主起飛，但是飛行時間有限，每次飛行時間要被控制在90秒之內(nèi)，最大上升高度為5米，最遠飛行距離為50米，無法飛得更遠更高。同時，飛行次數(shù)也受限制，大約可以飛行6次，但對于首次登上火星的直升機來說，能有這樣表現(xiàn)就已經(jīng)足夠出色了。

　　靈巧號的首次試飛將從2021年春季開始，也就是在毅力號降落火星之后的2個半月之后。它的任務(wù)目標是首次進行火星大氣中的飛行演示，由于火星大氣稀薄，密度僅為地球的1%，且引力也只有地球的三分之一，因此在火星大氣中飛行要產(chǎn)生升力很難，飛到5米高的地方就已經(jīng)相當(dāng)于在地球上的3萬米高空飛行。

火星直升機被折疊放入火星車腹部，圖片來源：NASA

　　NASA對這次演示性飛行并沒有提出科學(xué)探測的要求，只是希望這次積累的技術(shù)能夠在未來的火星任務(wù)中得到應(yīng)用。比如研制能夠在火星大氣中長時間飛行的航空器，以扮演機器人偵察機的角色，對前方地形進行勘測，避免火星車，以及未來可能登陸火星的宇航員陷入糟糕的地形中。

　　1996年美國就已經(jīng)發(fā)射了第一輛火星車，這輛被命名為探路者號的火星車在1997年抵達火星，當(dāng)時火星車上也只搭載了3種儀器，科學(xué)調(diào)查能力有限。相比之下，2003年發(fā)射的機遇號和勇氣號則取得了更大的成就——它們共同發(fā)現(xiàn)了火星曾經(jīng)有液態(tài)水流過的證據(jù)，證明火星在數(shù)十億年前曾經(jīng)有過海洋。

　　此后的好奇號火星車的主要任務(wù)就變成了調(diào)查火星微生物，雖然它在蓋爾撞擊坑的調(diào)查表明火星上可能沒有甲烷的生物釋放源，但是好奇號也發(fā)現(xiàn)了火星巖土中存在1.5%至3%的水分，這也說明火星是可以支持人類殖民生存的。而毅力號將繼承前輩們的衣缽，使用更先進的設(shè)備，在一個更有可能存在微生物的地區(qū)，來尋找火星上存在微生物的證據(jù)。希望這些火星探測任務(wù)都能有所收獲，也相信在幾代人的不斷地努力下，人類終有一天，能實現(xiàn)移民火星的夢想。