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設(shè)備與工具2021年2月，美國宇航局（NASA）的毅力號火星車成功登陸火星的杰澤羅隕石坑，并給我們發(fā)來兩段來自火星的錄音。而就在昨天下午（北京時間4月19日15點30分左右），搭乘毅力號一同奔火的機智號火星直升機在杰澤羅坑完成首飛。
機智號在6秒內(nèi)爬升至距坑面3米的高度，并盤旋于空中30秒，隨后緩慢下降并著陸；飛行全過程持續(xù)了39.1秒。數(shù)十米開外的毅力號通過相機和麥克風(fēng)錄制下了人類飛行器在其他星球的首次動力受控飛行。
機智號項目的首席工程師、來自NASA噴氣推進實驗室（JPL）的米米 昂（MiMi Aung）在此次任務(wù)開始前便對媒體表示，這架僅1.8公斤重的雙旋翼飛行器能先于漫游車，甚至替代宇航員，去探索他們都難以涉足的外星區(qū)域（例如峽谷、洞穴或隕石坑），它或許就是未來地外探索無人機的先驅(qū)。
翻看NASA官方的介紹，我們可以看到機智號重1.8公斤，高0.5米，有4條細(xì)長的支撐腿，采用共軸反轉(zhuǎn)雙旋翼設(shè)計，由碳纖維制成的螺旋槳葉長1.2米，驅(qū)動電機的功率達(dá)350瓦，有一塊太陽能板負(fù)責(zé)供電。
在火星上起飛首先要克服稀薄空氣這一難點。僅0.6千帕的火星表面平均氣壓意味著同等轉(zhuǎn)速的旋翼所獲得的升力要比地球上的小得多。（要知道地球上的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101.3千帕，0.6千帕是海拔16千米處的氣壓。而地球上的直升飛機的最大飛行高度是12.4千米。）
因此項目組通過動力學(xué)設(shè)計賦予了機智號每分鐘2400轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速（地球上每分鐘280轉(zhuǎn)就夠用了），進而得到了足夠升力——數(shù)據(jù)顯示其水平移動速度達(dá)10米/秒，爬升速度為3米/秒，足以在火星車著陸區(qū)域附近進行空中偵察。
在正式開展任務(wù)前，JPL的研究人員將此設(shè)計放入模擬火星環(huán)境的真空室內(nèi)測試，最終得到了理想結(jié)果：最大飛行距離300米，最大飛行高度5米。而在NASA官方的介紹中，機智號每次的最長飛行時間為90秒，最大移動距離50米，最大飛行高度5米。
第二大難點則在于火星表面的寒冷環(huán)境。動輒-90°C的低溫對于機智號的零部件來說是極限。研究團隊需要在前期設(shè)計上動足腦筋，讓它具備在極寒環(huán)境下自主維持溫暖的能力。
另一方面，噴氣推進實驗室里的研究人員與火星上的無人機之間相距數(shù)億公里，飛行數(shù)據(jù)經(jīng)由NASA的火星軌道衛(wèi)星和深空網(wǎng)絡(luò)而傳遞。巨大的通訊延遲迫使JPL的研究團隊開發(fā)自動控制飛行算法，把飛行決定權(quán)交給機智號自己——它可自行決定如何飛往下一站，怎樣將自身溫暖維持在安全水平。
用帝國理工學(xué)院的地質(zhì)學(xué)家、毅力號任務(wù)的戰(zhàn)略規(guī)劃師桑吉維·古普塔（Sanjeev Gupta）教授的話說：“顯然火星有時間延遲，因此機智號的飛行完全自主完成。在對漫游車的指揮過程中，我們所做的其實是計劃第二天的活動?？刂破鞑o真正意義上的控制作用，而是根據(jù)機智號內(nèi)部已經(jīng)存有的代碼編寫計算機命令。它就像智能手機一樣工作。我們上傳參數(shù)，然后事情就搞定了?！?/p>
古普塔還指出：“我一直都在用無人機開展研究工作。近幾年來，它們變得足夠輕且小，可被應(yīng)用于更多用途。作為地質(zhì)學(xué)家，你能使用它查看巖層，研究景觀。無人機可以拍攝圖像，進行更大規(guī)模的勘測偵察，獲取常規(guī)情況下難以涉足區(qū)域的圖像?！?/p>
對于像毅力號這樣的漫游車來說，隨行的無人機就像一個安全顧問。用古普塔的話說：“漫游車的行動選擇很有限。如果前方路上有一座小山，我們或許就看不到，而無人機則往往能偵察到它改變游戲規(guī)則是為了消除其中的一些限制，它提高了探索工作的效率?！?/p>
如前文提到的，機智號是地外無人機的開端，未來必將出現(xiàn)更具想象力的探索者。實際上，NASA已經(jīng)在設(shè)計規(guī)模更大的無人機蜻蜓號（Dragonfly），并計劃于2027年搭載火箭奔赴土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六（Titan，又稱泰坦星）的航線——預(yù)計到2036年，蜻蜓號才能飛抵目的地。屆時隨同蜻蜓的旋翼無人機也將開啟尋找外星生命跡象的旅程。
藝術(shù)家創(chuàng)作的蜻蜓號圖像
古普塔表示：“我們在其他行星上所做的第一門科學(xué)永遠(yuǎn)是地質(zhì)學(xué)，研究巖石形成，尋找生命證據(jù)，無人機技術(shù)能在其中發(fā)揮重大作用?！?/p>
蜻蜓號的登陸區(qū)域?qū)⑹峭列l(wèi)六（泰坦星）赤道區(qū)域的“香格里拉”（Shangri-La）。擁有8個旋翼槳葉的它將降落于香格里拉的神秘沙丘，然后到訪數(shù)個目標(biāo)區(qū)域?qū)ふ疑螒B(tài)，其任務(wù)所覆蓋的距離幾乎為火星漫游者的2倍。
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