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明年,NASA直升机将翱翔在火星上空

2020-06-24
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Ingenuity在火星上飞行面临着诸多挑战。

本文来自合作媒体:腾讯科技,审校:金鹿。猎云网经授权发布。

6月24日,据外媒报道,美国宇航局(NASA)的航天器即将在另一个星球上升空。作为今年夏天进行的火星探索任务的一部分,NASA将尝试做些以前从未做过的事情:操控直升机穿过火星稀薄的大气层。如果成功,这架名为独创号(Ingenuity)的小型直升机将为未来的机器人探测器创造鸟瞰火星和太阳系其他星球的新途径。

NASA喷气推进实验室火星直升机项目经理米米·昂(Mimi Aung)说:“这与莱特兄弟首次驾驶飞机进行飞行的时刻非常相似,只是这次尝试是在另一个星球上进行。”

在火星上飞行面临着诸多挑战,因为那里没有太多的空气可以产生足够升力。在火星表面,大气层的密度只有地球的1/100,但较小的重力(约为地球1/3)有助于升空。不过,从火星表面起飞相当于在地球上30480米的高度飞行。地球上从来没有直升机飞得那么高,这个海拔也是喷气式客机通常飞行高度的两倍多。

独创号将与火星探测器毅力号(Perseverance)同时前往火星,后者将是NASA派遣到这颗红色星球上的第五辆机器人探测车。这项任务计划于7月20日发射,也是今年前往火星的三项任务之一。

在上周的新闻发布会上,NASA局长吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)在预览毅力任务时,特别强调了独创号的重要性。他说:“我要告诉你们,作为一名NASA管理人员,最让我兴奋的事情是准备观看直升机在另一个世界上飞行。”

在1997年之前,所有被送到火星表面的航天器都是静止的着陆器。直到探路者号(Pathfinder)任务包括了对NASA来说具有革命性的东西:一个轮式机器人,这辆名为旅居者号(Sojourner)的探测车大约有文件柜大小。继这一成功之后,两辆高尔夫球车大小的探测车勇气号和机遇号于2004年抵达火星,然后好奇号在2012年抵达那里。

对于在另一个星球上的机器人探测器来说,四处移动的能力为它们提供了巨大的优势。行星科学家不再拘泥于盯着一个地方。探测车可以穿越这片风景,停下来近距离观察有趣的岩石。这种自由是获得目前对早期火星理解的关键,即这颗现在又冷又干的星球曾经是潮湿的,至少拥有些可能适合生命居住的环境。

独创号本质上是旅居者号的空中版本,它展示了一种新技术,这种技术可能会在以后的任务中得到更广泛的应用。独创号的主体部分大约与垒球大小相当,有四条细长的腿伸出。两组叶片(长约10厘米)以相反的方向旋转。它只有1.8公斤重,高约46厘米。

这款火星直升机的总工程师鲍勃·巴拉拉姆(Bob Balaram)早在20世纪90年代就开始与同事合作研究这个想法。他说:“这种技术并没有真正发挥作用,我们确实做了些小测试,但后来它被搁置了,直到大约六七年前重新启动。”

巴拉拉姆说,时任喷气推进实验室主任的查尔斯·埃拉奇(Charles Elachi)对此产生了兴趣,并为进一步研究提供了资金。他说:“这让我们继续前进。”

“做以前从未做过的事情”是一项工程挑战,这吸引了米米·昂,她于2014年年中加入,担任项目经理。米米·昂说:“大约20年前,这是不可能的。真的,因为数学上的原因。”在加入火星项目之前,她是喷气推进实验室自主系统部门的副经理。

但米米·昂说,有些技术进步,比如电子产品的微型化、储存更多能量的电池,以及可以做成轻质叶片的材料,终于让火星飞行器的梦想在技术上成为了可能。而将这种可能性转化为一架正常功能的直升机花了研究人员数年时间进行反复试验。

到2014年底,工程师们已经建造出小型原型。这架微型直升机被放置在一个房间里,那里的大部分空气被吸出,以复制火星大气的密度。因为还没有编写直升机飞行控制软件,团队中的一名成员试图用操纵杆来引导其运动,就像业余爱好者驾驶无人机一样。然而当桨叶旋转时,虽然直升机升起了,但随后立即失去了控制。

领导空气动力学和实现可控飞行工作的工程师哈瓦德·格里普(Havard Grip)说:“上述尝试做了我们当时必须做的事情,那就是让其实际可以离开地面。因此,从这方面来说,这是一次成功的实验。但很明显,要了解这种东西的行为方式,还有很多工作要做。”

巴拉拉姆和格里普表示,其中一个问题是,叶片在以每分钟2000到3000转的速度旋转时会上下弹跳。在地球上,空气对叶片的压力会使弹跳最小化。但在火星稀薄的大气中,弹跳造成了不稳定,使得直升机的运动很难控制。解决方案原来是让叶片稍微坚硬一些,但这会增加重量。

格里普说:“我认为,在早期找到一个合适的设计是最大的问题之一。”最终,他们找到了解决方案。他说:“当你举起这些叶片中的一个时,如果你把它拿在手里,你会认为你要举起某些实质性的东西,而且它像空气一样轻,同时又极其坚硬,这是相当令人震惊的。”

这项工程涉及一系列折衷方案,以适应直升机尺寸、重量和电池电量的限制。与此同时,格里普带头开发了计算机算法,这些算法将能够足够快地操纵和调整直升机的飞行,以自动对火星上不断变化的大气条件做出反应。

2016年5月,下一架直升机原型准备就绪。在模拟透明火星大气层的同一个房间里,直升机上升,然后稳定地盘旋并实现了软着陆。有史以来第一次,一架直升机原型在模拟火星大气条件下进行了控制飞行,尽管它仍然连接着外部电源和计算机。

完整的设计,包括电池、高通骁龙处理器,与手机、通信系统和传感器完全集成在一起,于2018年1月准备就绪。为了模仿火星较弱的重力,一个滑轮向上拉以抵消部分地球引力。房间里的空气密度再次下降。但这一次,没有留下少量的地球空气,而是注入了少量二氧化碳,这是火星大气的主要成分。

半年后,NASA批准将直升机添加到NASA的下一次火星探测任务中。现在,毅力号的腹部贴附着独创号,它正在为从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射进行最后的准备。

与此同时,米米·昂和她的团队正在进行排练,一旦独创号登上火星,他们将会做些什么。由于喷气推进实验室因受新型冠状病毒疫情影响而基本上关闭,所有的工作都是通过电话会议完成的,所有的团队成员都在家里工作。

当明年2月份,即毅力号登陆火星大约两个月后,研究人员将对独创号开始测试。毅力号会找到一个合适的平坦地方,把直升机释放到地上,然后开到至少100米远的地方。米米·昂说:“直升机再也不会回到探测器中。”

在随后的30天内,直升机将进行最多5次飞行,但其大部分时间都会坐在那里等待太阳能电池板给电池充电。

首次飞行是上升数十厘米,盘旋30秒,然后着陆。随后的飞行将会更长、更高、更远。在第五次飞行中,如果一切正常,独创号将升空约4.6米,飞出150米远,然后回到它开始的地方。它有两个摄像头:一个是向下的黑白摄像头,用于跟踪它所在的位置;另一个是彩色摄像头,用于观察风景。这次飞行将持续一分半钟。

一旦飞行完成,独创号将留在最后的着陆点,毅力号将驱车完成剩余的任务。米米·昂说,这项技术可以应用到更大的飞行器上,重量最高可达13.6公斤,而不仅仅是1.8公斤。这样的直升机可能足够大,可以携带更重的相机和其他仪器。

NASA已经计划向土星最大的卫星Titan(土卫六)发射一架核动力旋翼机——蜻蜓号(Dragonfly)。但土卫六的大气层很厚,因此在那里飞行不会带来与火星相同的技术挑战。

即使未来的直升机前往火星,它们几乎可以肯定永远不会成为那里的宇航员可行的交通工具。米米·昂称:“你不会想到把它扩展到可以像在地球上那样载人飞行的地方,毕竟那里没有足够的大气。” 

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