3月5日，火星车“毅力号”首次行走，它在33分钟时间里行走了6.5米。与“毅力号”一同登陆火星的，还有一架无人机“机智号”，相比火星车，无人机的探索范围以及空间会大为增加，让我们拭目以待“机智号”的首飞。不过，在火星上想让无人机飞起来，可比在地球上难多了，到底会遇到哪些挑战呢？
降落在火星上的机智号无人机效果图
撰文 | 杨先碧
2020年7月30日，美国火星2020探测器从佛罗里达州升空。与以往的火星任务不同的是，这次不仅携带了毅力号火星车，而且还有一个“小家伙”跟随升空，它就是即将在火星上翱翔的首架无人机——“机智号”。
01 “机智号”有多大美国最近的这次火星探测任务主要是将毅力号火星车送上火星，“机智号”不过是个“添头”，因此它一点也不起眼。这从对它们的投入就可以看出来：“毅力号”耗资24亿美元，而“机智号”仅仅0.85亿美元。
“毅力号”是一个“大家伙”，和一辆家用小轿车差不多大，其长3米、宽2.7米、高2.2米、净重1043千克。与“毅力号”相比，“机智号”小得可怜，净重只有1.8千克，旋翼叶片长度为1.2米。
“机智号”藏于“毅力号”的“腹部”，并随着“毅力号”一起飞往火星。“机智号”的设计符合一款航天器的标准，可以承受火箭发射过程中产生的重力和振动。当“毅力号”着陆火星之后，科学家会将“机智号”唤醒，令其从“毅力号”的“腹部”飞出来。
每次飞行任务完成后，“机智号”会再次回到“毅力号”的“怀抱”中。此时，“机智号”像是个袋鼠宝宝，静静地在“毅力号”的“腹部”沉睡。
02 “机智号”如何飞翔火星大气环境十分恶劣：火星表面的大气压仅有地球的0.7%；火星大气中几乎没有氧气，95%是二氧化碳，火星大气的平均温度是-63℃。因此，想在火星上飞起来是件十分不容易的事情。当然，无人机在火星上飞行也有比地球有利的地方，那就是火星引力只有地球引力的三分之一，无人机不需要花太大的“力气”来克服火星引力。
“机智号”（前）与“毅力号”（后）个头对比
“机智号”的结构示意图
“机智号”模型
工作人员对“机智号”进行测试调整
为了让“机智号”能在火星上顺利飞行，科学家为它设计了先进的旋翼。这个旋翼包括2个转子、4个叶片，每个叶片长1.2米。这些叶片采用了碳纤维材料，薄如蝉翼，轻如鸿毛。同时，“机智号”配备有抗辐射系统，这可保证其在寒冷的火星环境中正常运行。
尽管“机智号”采用了先进的材料和设计，但它的飞行能力还是特别有限：最大飞行距离为300米，最大飞行高度只有5米。这是因为在火星上飞行十分费劲，旋翼要每分钟旋转2800次才能保障“机智号”的正常飞行。而在地球大气层中，旋翼旋转速度只需280次左右就可轻松且平稳地飞行。
“机智号”将在“毅力号”着陆后的60～90个火星日后，进行为期30天的飞行稳定性测试，预计最多飞行5次。由于旋翼功率很大，且“机智号”携带的充电式锂电池又不能太大，因此“机智号”每次的飞行时间很短，只有90秒。
为什么不给“机智号”配备更大的锂电池呢？这是因为如果携带的电池太大太重的话，“机智号”可能在火星上就飞不起来了。“机智号”携带有太阳能电池板（位于无人机的顶部），可利用阳光为锂电池充电。“机智号”飞行短短90秒，却需要一个火星日（24.62小时）的时间来充电。
“机智号”离开“毅力号”执行飞行探测任务
03 “机智号”有什么用目前，在火星上工作的有轨道飞行器和火星车。为什么科学家还要研制无人机呢？这是因为轨道飞行器离火星表面太远，难以进行观察到火星表面的细节。而火星车的视野有限，对地形的要求较高，很容易被坡坡坎坎、悬崖峭壁、石块碎砾等阻断去路。
如果火星上曾经演化出生命，在火星表面环境变得恶劣之后，它们可能撤退到地下洞穴中。阳光照射不到的火星洞穴可能是水和冰的储存之地，因此未来人类要进驻火星，洞穴可能是备选的居住地之一。无论出于什么样的考虑，火星洞穴都值得探索，而火星车和轨道飞行器都不太适合深入洞穴。
无人机则结合了轨道飞行器和火星车的优势，它既可以从空中俯瞰，又可以近地观察，还可以飞入火星洞穴、峡谷和陨石坑中。比如，“机智号”携带有小型航空电子设备、通信设备、成像设备，这样它可以按照地面科学家发布的指令进行飞行，飞到火星车难以抵达的区域。
“机智号”为示范性火星无人机，也就是说，它的主要用途不是进行科学考察，而是测试无人机究竟能不能在火星上飞起来。科学家根据其飞行结果和相关数据，对后续的火星无人机的设计进行改进，让以后的火星无人机能更有效地完成更多的科学考察任务。
“机智号”研制团队的首席科学家哈瓦德·格里普说：“莱特兄弟表明，飞行器在地球大气中的动力飞行是可行的，而我们的研究则将证明，飞行器在火星大气中也能飞起来。”
04 “机智号”名字的由来2020年4月，美国宇航局宣布，将首架火星无人机命名为“机智号”。“机智号”是由英文ingenuity翻译来的，这个名字来自美国阿拉巴马州诺斯波特的高中生瓦妮扎·鲁帕尼的提议。
美国宇航局曾为2020年发射的火星车举行命名比赛，邀请全美青少年参与，以激发他们对航天任务的兴趣。全美共有2.8万名中小学生投稿。2020年3月，美国宇航局宣布选中Perseverance（毅力）一词作为火星车的名称。
当美国宇航局准备为首架火星无人机命名时，他们没有另外举行选拔赛，而是从火星车命名征集赛的优秀名称中挑选了一个。这就是“机智号”名字的由来，它是由美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷选出来的。
为什么会提出“机智号”这个名字？鲁帕尼说：“对于希望努力克服星际旅行挑战的人来说，聪明才智让我们所有人都能体验到太空探索的奇观，聪明才智让人们完成令人惊叹的事情。”
为火星无人机取名的女中学生瓦妮扎·鲁帕尼
注：本文经作者授权转发。
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