“火星无人机”：NASA此次发射是最雄心勃勃的探索计划。
最近几天，针对火星的探测器已经启动。
7 月 30 日，在 NASA 成功执行的 MARS 2020 任务中，阿特拉斯 5 号运载火箭将最新一代的火星探测器毅力号送入轨道。
Perseverance 是迄今为止建造的最大、最复杂的火星探测系统。下一代漫游车耗资 27 亿美元，重达 1,025 公斤。这是继阿联酋的希望号和中国的天问一号之后，人类在这个“火星季”发射的第三次探测器。
如果一切顺利，7个月后，它将开始收集火星岩石样本，将它们封装起来并埋在特定位置，等待美国宇航局取回地球。毅力号也在寻找古代外星生命的迹象，并首次使用麦克风捕捉火星的声音。
此外，毅力号最有趣的实验是在红色星球上发射人类第一架外星无人机 Ingenuity。
经过 5 亿公里的旅程，毅力号将于 2021 年 2 月 18 日降落在火星赤道以北的 Jezero 陨石坑。进入火星大气层后，它会打开降落伞，然后用火箭悬停在两米高的地方，将火星车“吊”到地面。与好奇号不同，毅力号有一个自动驾驶系统，可以避开巨大的岩石并将自己引导到安全的位置。
在火星上，毅力号将花费至少一个火星年（约 687 个地球日）探索附近地区。
毅力号预定登陆的区域。超过 38 亿年前，一条河流从这个位置涌入 45 公里宽的陨石坑，当然是为了寻找火星上古代生命的证据。
独创性：来自火星探测器的侦察兵
使用太空探测器进行火星探索的历史几乎是人类航天的全部历史，但这些工具有一些局限性。绕火星运行的轨道器可以拍摄火星大尺度图像，但分辨率不够高；发射到火星表面的漫游车拍摄高分辨率图像，但行驶距离有限，很多地方不适合漫游车进入。
之前有一些人造“漫游车”登陆火星，但为了适应火星表面的恶劣环境，平均为-63摄氏度，接近外太空，工程师们会让他们驾驶非常缓慢地。最知名的火星车好奇号至今已经运行了 8 年，仅行驶了 22 公里，平均速度不及蜗牛。
因此，NASA 研究人员想出了一种方法来扩大漫游车的视野 - 无人机。
无人机仅重 1.8kg，将安装在火星车的腹部，并在火星恶劣的环境中尝试起飞。这将是人造飞机在地球以外的行星上的首次飞行，或者它将开辟探索太阳系的新途径。
“这次飞行试验的成功将为人类太空探索增添一个新维度，”Ingenuity 项目负责人、喷气推进实验室负责人 MiMi Aung 说。
00:00/00:00 速度
NASA黑科技：只有1%的大气层会飞
为火星探测器配备无人机的想法并不难想出。真正的难点是：如何让它飞起来？
火星的表面重力只有地球的 1/3 (38%)火星救援中喷气推进实验室负责人，看起来很容易起飞，但有一件事是致命的：火星大气的密度只有地球的 1% 获得在火星上起飞所需的升力非常困难，因为几乎没有空气流动，因此没有为地球空气动力学设计的飞行器可以在火星上飞行。
要在火星上起飞，飞行器必须超轻，螺旋桨必须旋转得非常快。但是螺旋桨也不能转得太快，因为速度越快火星救援中喷气推进实验室负责人，风险也越大。
“从来没有直升机在这种情况下飞行过——这大致相当于在地球上 30,000 米的高度起飞，”美国宇航局喷气推进实验室技术团队成员兼火星首席工程师 Bob Balaram 说无人机项目。 “螺旋桨不能更快，因为它的尖端会接近音速，然后是超音速。我们不希望它达到音速，因为这会加剧湍流效应。”
通常当移动速度接近音速时，会有很强的阻力，会导致飞行器强烈振荡。这种现象通常被称为音障。即使是直升机旋翼的翼尖也不容易处理。顺便说一句：火星上的声速是 240m/s，比地球慢三分之一。
此外，Perseverance 的设计团队确定了无人机的尺寸，确定探针可以容纳刀片直径为 1.2 米的微型无人机。
在弄清楚这些限制后，NASA 喷气推进实验室 (JPL) 的工程师着手设计第一架火星无人机。
由于轻量化电子设备的进步，他们将无人机的重量限制在 1.8 公斤左右。如果放在几十年前，轻量级的电子计算机、传感器、摄像头、陀螺仪等还没有发明出来，几乎不可能造出这么轻量级的无人机。
无人机的最终设计看起来像一只戴着复杂头饰的长腿蜘蛛。它的主体是一个盒子，从盒子里伸出四条腿，使机身能够直立。
四个碳纤维叶片安装在无人机顶部，还有一块太阳能电池板。这些刀片的设计转速高达 2400 rpm。对于无人机来说，这是非常快的转速。相比之下，传统直升机的转速仅为 450 到 500 rpm。
Ingenuity 无人机的重量与您的笔记本电脑差不多，所以我不知道里面有多少技术。
但是，制造无人机只是成功了一半，确保它可以在火星上飞行。 “除了设计之外，您还必须考虑一个问题：'如何测试？'因为以前没有人这样做过。”咪咪昂说。
幸运的是，NASA 的 JPL 实验室配备了一个巨大的测试室，可用于这项工作。这是一个巨大的房间，被称为“太空模拟器”，它创造了一个完全真空并模拟无人机在离开地球后可能面临的极端温度。为了模拟火星大气，他们将太空模拟器泵入一个近乎真空的环境中，然后在其中填充二氧化碳，从而形成类似火星的大气密度。
除了大气层，重力也是一个亟待解决的问题。为了模拟火星上的重力，工程师在无人机上系了一根绳子。这个字符串和相关的设备，称为重力卸载系统，提供向上的拉力。
在最初的几次飞行测试中，团队发现测试无人机的叶片不断上下摆动。由于叶片细长，这种摆动趋势也出现在地面直升机中，但厚厚的大气层会减弱这种影响。
为了解决这个问题，他们使螺旋桨的叶片非常坚硬，比地球上同等大小的普通直升机还要坚硬。
该团队在低至负 90 度的各种极端条件下进行了数十次飞行测试。测试完成后，他们将无人机折叠起来，放入恒心漫游车中。
Perseverance 到达火星并找到合适的位置后，会释放 Ingenuity，让它自行完成工作。
毅力让 Ingenuity 登陆火星表面并飞驰而去。
莱特兄弟在火星上的时刻
“如果成功，那将堪比莱特兄弟飞行成功的那一刻，”米米昂说。在毅力号登陆火星后的 90 天远程自检期间，她的团队有一个月的时间来测试无人机。未来，我们可能会看到无人机在遥远的火星上寻找宇航员，执行各种任务。
“匠心”计划将完成四次短途飞行，每次起飞的目标更大更远，计划中每次飞行不超过90秒。但在很短的时间内，Ingenuity 可以飞到 4.6 米高，水平行进约 50 米。
由于地球和火星之间的通信延迟很长（单程 3-22 分钟），所有这些飞行都必须是自主的。设计团队将向无人机发送一份指令列表，以自行执行所有步骤。在计划中，无人机会在飞行过程中捕捉图像，而毅力号也可能会捕捉到一些 Ingenuity 悬停在空中的图像。
作为有史以来第一架从地外星球起飞的无人机，“匠心”执行的任务主要是技术验证，证明飞行器在未来火星任务中的价值。
虽然它刚刚推出，但工程师们已经在研制一种重约 20 公斤的大型无人机。下一代 Ingenuity 将能够携带比今天更重要的科学有效载荷和更好的相机。 “但在你能走路之前，你必须尝试爬行。这就是 Ingenuity 的意义所在，”Balaram 说。 “希望我们能够实现‘莱特兄弟’的成功时刻，在另一个星球上进行首次可控飞行。”
参考内容：
