见证历史！人类直升机首次成功在火星上空飞行！一文了解本次试飞的方方面面

2021-04-21 学术头条

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注释：毅力号火星车传回来的机智号小直升机的飞行画面。

北京时间4月19日18点55分左右，NASA宣布人类直升机首次在火星试飞成功。这架名为“机智”号（Ingenuity）的小型直升机是此前跟随NASA毅力号火星车一同抵达火星的。

机智号仅重1.8公斤，高0.5米，由两个反向旋转的旋翼提供升力。旋翼由碳纤维制成，直径达1.2米，驱动电机功率350瓦。机智号的主要目的是进行技术验证，验证人类采用飞行探测地外星球的全新技术。

据悉，机智号上还携带了一小块当年莱特兄弟制造的第一架飞机上的布料，以纪念和致敬人类实现首次可控动力飞行。机智号算是人类飞行器在火星上的首次可控动力飞行，具有类似的重要历史意义。

一、直升机在火星上如何飞行？

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注释：这是毅力号释放机智号小直升机的全过程（动画模拟）。

从2014年到2019年，NASA喷气推进实验室的科学家和工程师们在地面模拟了火星大气和引力场的实验条件，经过反复模拟飞行实验，最终制造了这架能够在火星稀薄大气和低温环境中飞行的小直升机。

我们知道，火星的表面引力约相当于地球的三分之一，从这点看有利于飞行器飞行，但是火星的气压只有地球气压的1%，空气非常稀薄，因此要求旋翼转动得更快才行。机智号直升机旋翼旋转角速度可达2400转每分钟。其水平移动的速度为10米每秒，爬升速度为3米每秒。

这架小直升机靠顶部的太阳能板进行充电，电能储存在锂离子电池中。充电一天，大概能够飞行90秒！据悉，为了安全起见，本次试飞的高度仅为3米，飞行距离50米，飞行时长控制在40秒左右。

图注：机智号的飞行区域（椭圆形）。

在机智号试飞期间，毅力号火星车像是送孩子去幼儿园的家长一样，在距离大约100米的地方默默守望，为机智号拍照拍视频。

图注：毅力号上搭载的相机进行的自拍，可见远处的机智号小直升机。

按照此前安排的飞行计划，机智号在接下来的一个月的时间里还将进行5次试飞。任务结束后，毅力号将“抛弃”机智号直升机，继续前往远方开展寻找火星远古生命迹象的任务。

机智号安装有一个彩色相机和一个黑白相机，它无法直接和地球联络，要通过毅力号火星车进行信息接力传输，因此，不能飞离毅力号太远，最远航程仅300米，最远通讯距离为1公里。

其实，本次火星直升机项目主要是为了进行技术验证，并没有赋予太多任务使命。火星直升机比轨道上的人造卫星分辨率更高，而且比火星车更加灵活，机动性更强。

二、机智号直升机是如何乘坐顺风车去火星的？

前面我们提到，机智号只有1.8公斤，体型非常娇小，在发射的时候，它是被安放在毅力号火星车的腹部（底部）的一个小空间里。毅力号抵达火星后，当找到适合的地点的时候，才把机智号放置在火星表面，等待好天气待命起飞。

图注：NASA工程师正在测试机智号安装在毅力号底部。

图注：盖子打开，可见还处于折叠状态的机智号（实拍）。

图注：机智号两条腿下放到火星表面（实拍）。

图注：机智号完全站立在火星上（实拍）。

三、机智号在火星上临什么样的环境？

前段时间，我国北方地区遭遇到了广泛的沙尘暴天气，感觉像是到了火星一般，但这与火星上真正的沙尘暴比起来真是小巫见大巫。4月7日，NASA放出了一张机智号在火星上的实景照片，从照片可见，尚未飞行的机智号顶部的太阳能板和旋翼上已经落上了沙尘，可谓是“灰头土脸“，真有一种想过去帮它打扫一下的冲动。

除了沙尘暴，火星上的低温环境也对机智号上电子元器件有着极大考验，特别是火星的夜晚，温度可低至零下90度。

图注：机智号的太阳能电池板和旋翼上布满了沙土（实拍）。

四、火星过于遥远，通讯存在超长延迟

我们知道，由于地球和火星在不同高度的轨道上围绕太阳运动，火星的公转周期约等于2个地球年，因此二者之间的距离在实时变化。

目前，火星和地球的距离接近三亿公里，即便以光速飞行的电波信号来回也需要半小时左右，因此，地面上飞控人员一旦发出指令，能做的事情就是慢慢等待。正如机智号的名字所寓意的那样，这架小直升机具有完全独立飞行的能力。

五、延迟的首飞任务

图注：机智号进行旋转测试。

其实，机智号的首飞时间原定于4月11日，但在这之前测试旋翼旋转的过程中发现存在软件错误，控制指令提前结束，因此被迫推迟。这几天NASA通过远程对机智号上的软件进行了更新，最终修复了问题。

六、探索地外星球的全新方式

目前，人类探索地外星球主要有三种方式：一种是发射探测器环绕探测；一种是发射着陆器抵达星球表面进行原位探测和发射漫游车进行巡视探测。

环绕探测的例子不胜枚举，大家熟悉的嫦娥一号和嫦娥二号月球探测器就属于这类；嫦娥三号和嫦娥四号属于原位探测和漫游车（玉兔号）巡视探测结合的例子。

据悉，目前正在环绕火星飞行的我国天问一号探测器将在五月份择机进行火星着陆，具体讲，天问一号的轨道器将继续留在火星轨道进行环绕探测，着陆器和火星车将抵达火星表面。这样，我们就能一次性完成环绕探测、原位探测和巡视探测。

除了上面提到的这三种探测方式，机智号为人类开启了采用动力飞行进行地外星球探测的全新方式。这种方式比轨道上的探测器看得更清，比火星车运动得更快，机动性更好。

图注：未来的在泰坦星上空飞行的核动力直升机。计划2027年发射。

无独有偶，NASA已经批准采用类似方式探测更加遥远的泰坦星（土卫六），泰坦星拥有稠密的大气层，非常适合飞行器飞行，但由于那里距离太阳太过遥远，太阳能已经无法满足飞行需求，科学家计划采用类似毅力号核电池的方式对其进行供电，可看作核动力直升机。这架核动力直升机已经被命名为“蜻蜓”号，计划2027年发射，预计2036年着陆。

机智号解锁了人类探测地外星球的全新方式，未来将有更加精彩的各种外太空探测活动等待着我们。