首架無人機即將登陸火星

楊先碧

2020年7月30日，美國的“毅力號”火星車從佛羅里達州升空。與以往的火星任務不同的是，這次有一個“小家伙”跟隨升空，它就是即將在火星上翱翔的首架無人機——“機智號”。

“機智號”有多大

美國本次火星探索任務主要是將“毅力號”送上火星，而“機智號”不過是個“添頭”，一點也不起眼。這從對它們的投入就可以看出：“毅力號”耗資24億美元，而“機智號”僅耗資0.85億美元。

“毅力號”火星車是一個“大家伙”，其長度為3米，寬度為2.7米，高度為2.2米，凈質量為1043千克。與“毅力號”相比，“機智號”小得可憐，其凈質量為1.8千克，旋翼葉片長度為1.2米。

“機智號”巧妙地藏身于“毅力號”火星車的“腹部”，隨著“毅力號”一起飛往火星。“機智號”的設計符合一款航天器的標準，可以承受火箭發射過程中產生的重力和振動。當“毅力號”著陸火星之后，科學家會將“機智號”喚醒，令其從“毅力號”的“腹部”飛出來。

每次飛行任務完成后，“機智號”會再次回到“毅力號”的“懷抱”。此時，“機智號”就像是個袋鼠寶寶，靜靜地呆在“毅力號”火星車的“腹部”沉睡。

“機智號”如何飛翔

研究數據表明，火星上的大氣環境十分惡劣。火星表面的大氣壓僅有地球上的0.7%，火星大氣中95%是二氧化碳，火星大氣的平均溫度是-63℃。因此，無人機要想在火星上飛起來，是件十分不容易的事情。當然，無人機在火星上飛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1/3，無人機不需要花太大的“力氣”來克服火星引力。

為了“機智號”在火星上順利飛行，科學家為它設計了先進的旋翼。這個旋翼包括2個轉子和4個長1.2米的葉片。這些葉片采用了碳纖維材料，薄如蟬翼，輕如鴻毛。同時，“機智號”配備有抗輻射系統，這可保證其在寒冷的火星環境中正常運行。

盡管“機智號”采用了先進的材料和設計，但是它的飛行能力也特別有限：最大飛行距離為300米，最大飛行高度只有5米。這是因為火星上的飛行十分費勁，旋翼要旋轉2800次/分鐘才能保障“機智號”的正常飛行。而在地球大氣層中，旋翼旋轉速度只需280次/分鐘左右就可輕松且平穩地飛行。

“機智號”將在“毅力號”著陸后的60～90個火星日后，進行為期30天的飛行穩定性測試，預計最多飛行5次。由于旋翼功率很大，而“機智號”攜帶的充電式鋰電池較小，因此“機智號”每次的飛行時間都很短，只有90秒。

那么，為何不給“機智號”配備更大的鋰電池呢？因為如果攜帶的電池太大、太重，“機智號”將無法實現火星飛行任務。“機智號”攜帶有太陽能電池板（位于無人機的頂部），可利用陽光為鋰電池充電。但“機智號”飛行短短90秒，卻需要一個火星日（24.62小時）的時間來充電。

“機智號”的任務

目前，火星已有軌道飛行器和火星車。科學家為何還要研制無人機呢？這是因為軌道飛行器離火星表面太遠，難以觀察到火星表面的細節;而火星車的視野有限，對地形的要求較高，很容易被坡坡坎坎、懸崖峭壁、石塊碎礫等阻斷去路。

如果火星上曾經存在生命，那么在火星表面環境變得惡劣之后，它們可能撤退到地下洞穴中。陽光照射不到的火星洞穴可能是水和冰的儲存之地，因此未來人類要進駐火星，洞穴可能是備選的居住地之一。無論出于怎樣的考慮，火星洞穴都值得探索，而火星車和軌道飛行器都不太適合深入洞穴。

而無人機結合了軌道飛行器和火星車的優勢，既可以從空中俯瞰，又可以近地觀察，還可以飛入火星洞穴、峽谷和隕石坑中。比如，“機智號”攜帶有小型航空電子設備、通信設備和成像設備，這樣它可以按照地面科學家發布的指令飛到火星車難以抵達的區域。

“機智號”為示范性火星無人機，也就是說，它的主要用途不是進行科學考察，而是測試無人機究竟能不能在火星上飛起來。科學家根據其飛行結果和相關數據，對后續的火星無人機的設計進行改進，讓以后的火星無人機能更有效地完成更多的科考任務。

“機智號”研制團隊的首席科學家哈瓦德·格里普認為：“萊特兄弟表明，飛行器在地球大氣中的動力飛行是可行的。而我們的研究則將證明，飛行器在火星大氣中也能飛起來。”或許到2021年2月，我們就可以欣賞到“機智號”從低空拍攝到的火星高清視頻了。讓我們一起來期待吧！

“機智號”名稱的由來

2020年4月，美國宇航局宣布，將首架火星無人機命名為“機智號”。“機智號”這個名字來自美國亞拉巴馬州諾斯波特的高中生瓦妮扎·魯帕尼的提議。

此外，美國宇航局還曾邀請全美青少年參與為2020年發射的火星車命名的比賽，以激發他們對航天任務的興趣。全美共有2.8萬名中小學生投稿。2020年3月，美國宇航局宣布選中“毅力”一詞作為火星車的名稱。

當美國宇航局準備為首架火星無人機命名時，他們并沒有再舉辦命名選拔賽，而是從火星車的優秀名稱中挑選了一個。這就是“機智號”名稱的由來，它是由美國宇航局局長吉姆·布里登斯廷挑選出來的。

那么，為什么會提出“機智號”這個名字呢？瓦妮扎·魯帕尼認為：“對于希望努力克服星際旅行挑戰的人來說，聰明才智讓我們所有人體驗到太空探索的奇觀，聰明才智也能讓人們完成令人驚嘆的事情。”