机智号，起飞！环球科学

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　　导读
　　而今天，我们终于实现了火星表面的飞行。
　　机智号黑白导航相机在飞行期间拍摄的照片（图片来源：NASA）
　　在耶泽罗陨击坑的平原上，机智号1.2米长的叶片以每分钟2500转的速度飞速旋转，在1%个大气压的稀薄大气中托起自己1.8千克的机身……就在刚刚（4月19日），机智号火星首飞成功的消息传回NASA控制中心，人类飞行器在地球之外实现了首次动力受控飞行。
　　撰文｜王昱
　　审校｜吴非
　　经历过多次推迟，并在火星上完成了一次软件更新后，在毅力号的注视下，机智号无人直升机完成了它的首次飞行。 机智号在3米的高度盘旋了约30秒后降落，加上上升和降落，飞行整体持续39秒左右。 尽管在火星飞行困难重重，NASA还是挤出一点重量，在机智号上放了一块莱特兄弟＂飞行者一号＂的零件，以此纪念本次飞行的重要意义。
　　1903年，莱特兄弟驾着他们的＂飞行者一号＂起飞时，不知道他们能否想到一百多年后，人类的飞行器也能在这颗红色星球上＂御风而行＂。那时甚至还没有＂科幻＂这一概念，基于当时对火星模糊不清的观测，甚至有人称火星上存在运河。在此后的一个多世纪，人类的认知边界和技术实力呈指数上涨。我们把探测器送上了这颗充满未知的红色星球，而今天，我们终于实现了火星表面的飞行。
　　机智号（图片来源：NASA）
　　生存
　　此次起飞的机智号其实是 一台小型的共轴双旋翼直升机 ，通过螺旋桨的旋转提供升力，可以精确控制4个旋翼的倾角，2个螺旋桨反向旋转力矩抵消，无需尾桨，整体结构也更适合折叠。
　　火星直升机示意图（图片来源：NASA/JPL-Caltech）
　　机智号被固定在毅力号的底部，它们一起经受了8分钟内从秒速五公里减速到0的考验，降落到这颗太阳系内和地球最接近的红色星球上。对毅力号来说，在火星降落就是最大的考验。而对附着在其底面的机智号，考验才刚刚开始。 机智号首先面对的考验就是火星表面极低的温度。 耶泽罗陨击坑中夜晚最低温度为零下90摄氏度，不少电子元件的运行都会受到影响。
　　拥有核电池的毅力号自然不用担心能源问题，机智号附着在毅力号上时，尚且可以依靠毅力号的能源保温。但机智号毕竟还是要离开毅力号的，在抛掉保护罩，缓慢展开，并将六块锂离子电池充满之后，机智号被放置在火星表面。将机智号放下后，毅力号尽快驶离，让机智号获得太阳能。 依靠着它上方的太阳能板和内部的电池，机智号顺利撑过了火星寒冷的夜晚。
　　毅力号和机智号的自拍（图片来源：NASA）
　　我们当然也需要和机智号保持联络，但生存下来就已不易，更别提在它上面安装高功率天线了。而这时，毅力号就充当了中转站的作用。机智号可以在1千米内和毅力号保持通讯，前者的状态信息会被传到火星人造卫星上， 信号再以光速飞行16分钟，才能到达地球。
　　起飞
　　生存下来后，如何在火星起飞依然是个问题。即使火星是太阳系内和地球最接近的星球，两者之间还是存在巨大差异。对于飞行来说，最明显的区别就是火星表面大气密度只有地球密度的1%。地球上的直升机都存在升限，就算是只有4000米海拔的青藏高原，大多数直升机就已经难以飞行。 而火星地表1%大气压的密度，相当于地球上3万米的高空。
　　由于大气过于稀薄，虽然火星表面重力大约只有地球表面的1/3，机智号仍然需要尽可能减轻自己的重量。为了让机智号能够在火星上飞行，它还必须足够坚固，能够承受高转速对机体结构的考验。为此，机智号的旋翼、支脚都使用碳纤维构成。最终， 这个翼展1.2米的直升机质量仅有1.8千克 ，不少人手上的笔记本电脑都比它重。
　　和1.8千克重量对应的，是机智号旋翼快得有些不真实的转速。 地球上的直升机主旋翼转速一般为每分钟300转左右，而机智号为每分钟2500转。飞行时机智号的峰值功率可达350瓦，核动力的毅力号功率也不过110瓦。 在地球上这个转速听起来可能有些不可思议，不过也正是由于火星表面过低的气压，这个转速才成为可能。但转速也只能提升到这个级别了，火星表面240米每秒的声速限制了直升机的翼展和转速，超音速后翼尖会产生剧烈震颤，威胁飞行安全。
　　机智号原型在实验室中的试飞（图片来源：NASA）
　　另外，目前地球和火星之间的距离在16光分左右，而机智号飞行时间最多不过90秒，因此机智号必须实现全自主飞行，实时调控飞行参数。为此，机智号搭载了高通骁龙Robotics Flight 801平台，其核心正是高通骁龙801芯片，大约是七年前的旗舰手机芯片。而机智号上面还搭载了黑白、彩色两个相机，可以在火星上航拍。第一次飞行拍摄了4张黑白照片和3张彩色照片，受数据传输限制，会在3天后传回地球。
　　就像在地球上那样，飞行器起飞对天气有严格的要求。机智号会根据毅力号上火星环境动态分析仪（Mars Environmental Dynamics Analyzer，MEDA）的数据，推测火星上的天气情况，在电池电量良好的前提下，选择风力最小时起飞。
　　未来
　　这次任务风险巨大，在起飞之前没人能知道它是否能成功，所以 这个耗费8500万美元的无人机没有被赋予任何科学目标 。它甚至不能算作毅力号的一个科学任务，而是一项实验性的技术验证，可以说是一次豪赌。这次飞行验证了将来火星飞行探测器的可行性，甚至为未来火星宇航员使用无人机打下基础。
　　机智号的设计飞行计划是，在30个火星日（31个地球日）的实验窗口进行至少一次飞行。但他们实际想达成的远不止如此。在接下来的飞行中，机智号将继续依靠太阳能板充电。第二次飞行将会飞到5米高，平移几米距离，飞行90秒后降落。第三次飞行则会测试机智号的飞行性能极限，最多飞到50米外再返回。第四、第五次飞行则依靠之前飞行获得的数据决定。每次飞行，毅力号都会将它的镜头对准它在机智号，提供更多机智号在火星上的飞行照片。毅力号还会在机智号飞行过程中尝试录音，如果可能的话，甚至会拍一两段视频。
　　未来机智号在火星表面飞行的想象动画（图片来源：NASA）
　　NASA一直以探索者自居，他们一直在思考如何在大众中更好地传播科学知识，让所有人都能参与宇宙探索，毅力号和机智号自然也是他们不会放过的重要机会。毅力号、机智号的装配全程其实一直都在网上直播。毅力号上还附带了一块刻有10932295名网友姓名的硅片，一些我们的读者朋友也参加了这项活动。就连毅力号着陆过程中的降落伞，都埋有彩蛋。 到目前为止，毅力号任务已经回传并公开了3万多张照片。
　　如果将目光望向更长远的未来，机智号的起飞应该算得上人类对外星球探测中，一个不大不小的里程碑。面对今天的机智号，我们难以想象一百年后人类还能达成怎样的成就。但有一点可以肯定，面对未知，人类探索的脚步永远不会停歇。
　　参考链接：
　　https://mars.nasa.gov/files/mars2020/MarsHelicopterIngenuity_FactSheet.pdf
　　https://mars.nasa.gov/resources/25530/mars-helicopter-ingenuity-landing-press-kit/
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　　背景简介：  文章2021年4月19日发表于微信公众号    环球科学   （机智号，起飞！）。作者授权风  云之声转载。