NASA“毅力號(hào)”——首架在地球以外的星球上飛行的動(dòng)力飛機(jī)

如果火星上有生命，NASA的“毅力號(hào)”火星探測(cè)器應(yīng)該能夠找到跡象。該火星探測(cè)器計(jì)劃于今年7月底或8月初從美國佛羅里達(dá)的肯尼迪航天中心發(fā)射。該火星探測(cè)器的任務(wù)是鉆取古老湖床下的巖石，檢查其生物特征，從大氣中提取氧氣并收集土壤樣本，未來可能會(huì)帶回地球。 不過，要想在火星上成功地完成任務(wù)，總歸需要一點(diǎn)機(jī)智，字面上看，這正是“毅力號(hào)”所搭載的設(shè)備。在探測(cè)器的著陸裝置上，搭載著一架小型自動(dòng)駕駛直升機(jī)，名為“機(jī)智號(hào)”（Ingenuity）。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，它會(huì)成為首架在地球以外的星球上飛行的動(dòng)力飛機(jī)。

讓無人機(jī)在火星上飛行，這聽起來很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上，要設(shè)計(jì)一個(gè)切實(shí)可行的機(jī)器非常困難。“機(jī)智號(hào)”最大的敵人是火星上的大氣層。火星上的大氣密度不到地球上大氣密度的1%，著陸點(diǎn)在夜間的氣溫會(huì)降至零下100℃。

NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL，位于加州帕薩迪納市）負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的飛行測(cè)試指揮特奧多雷?扎尼托斯（Theodore Tzanetos）說：“這就像地球上有一縷風(fēng)，而我們只能利用其1%來進(jìn)行飛行器的升高和控制?！笔澜缟线€沒有能夠在如此稀薄的空氣中飛行的直升機(jī)。 “毅力號(hào)”和“機(jī)智號(hào)”計(jì)劃于2021年2月18日在火星一座名為杰澤羅（Jezero）的火山口著陸，然后開始進(jìn)行探測(cè)。約60個(gè)火星日之后，探測(cè)器將無人機(jī)放到地面，自己則移至100米之外，看著它起飛。 汽車大小的“毅力號(hào)”重1025公斤，而無人機(jī)“機(jī)智號(hào)”只有1.8公斤重，機(jī)身只有一盒紙巾那么大?！耙懔μ?hào)”的兩個(gè)上下疊在一起的碳纖維旋翼，以約2 400轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速向相反的方向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速是地球上大多數(shù)直升機(jī)旋翼的5倍。如果轉(zhuǎn)速低于該速度，它就無法起飛；如果轉(zhuǎn)速快太多，旋翼的外緣將接近超音速，可能會(huì)造成沖擊波和湍流，導(dǎo)致無人機(jī)無法保持穩(wěn)定。 “機(jī)智號(hào)”將作為一項(xiàng)技術(shù)示范。任務(wù)管理層希望能夠在30天的周期內(nèi)完成5次飛行。每次飛行時(shí)間不超過90秒，飛行高度不超過10米，從起飛點(diǎn)到著陸點(diǎn)的距離不超過300米。 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室參與該項(xiàng)目的機(jī)械工程主任喬西?拉維奇（Josh Ravich）說：“與地球上的無人機(jī)相比，它的機(jī)動(dòng)性會(huì)差一些，不過它必須經(jīng)受從地球火箭上發(fā)射、由地球飛行到火星的過程，進(jìn)入、下降并著陸到火星表面，最終在火星上寒冷的夜晚中存活下來。” 工程師為此進(jìn)行了多年的研究，以期滿足動(dòng)力、耐久性、機(jī)動(dòng)性和重量等互相矛盾的需求。無人機(jī)的電力來自旋翼上的太陽能板，并儲(chǔ)存在鋰離子電池中，其中的大部分電力并不用于飛行，而是用于無線電和導(dǎo)航系統(tǒng)的夜間保暖。工程師們?cè)紤]使用氣凝膠（一種超輕泡沫）來解決電子設(shè)備的隔熱保暖問題，不過最終認(rèn)為這會(huì)使重量增加太多而未予采用。建模顯示，火星上大氣的主要成分是二氧化碳，能夠提供一定的熱保護(hù)。 團(tuán)隊(duì)計(jì)算得出，一天中首次飛行的最佳時(shí)間是火星的上午。這時(shí)陽光足夠強(qiáng)，可在短暫的飛行中給電池充電。如果太晚，陽光的熱度會(huì)導(dǎo)致空氣上升，使火星表面的空氣更稀薄，直升機(jī)起飛就更困難了。 為了看看無人機(jī)是否能起飛，團(tuán)隊(duì)將一臺(tái)測(cè)試模型放置在一個(gè)三層樓高的艙室內(nèi)，艙室中充滿了模擬的火星大氣。線纜將艙室吊起，以模擬火星的重力（地球重力的0.38倍）。拉維奇說，它飛起來了，但是真正的測(cè)試會(huì)在火星上進(jìn)行。 如果“機(jī)智號(hào)”成功了，未來我們就可以利用無人機(jī)幫助探測(cè)器進(jìn)行火星偵查，甚至探索那些宇航員難以到達(dá)的懸崖邊緣和火山?！拔覀兡壳爸荒軓谋砻嫔匣蛘哕壍郎峡吹交鹦恰！崩S奇說，“而在90秒的飛行中，我們可以看到前面幾百米的情景?！?

原文標(biāo)題：火星直升機(jī)準(zhǔn)備起飛

文章出處：【微信公眾號(hào)：IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。