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“創(chuàng)造力”號(hào)直升機(jī)效果圖

最近，美國(guó)宇航局計(jì)劃發(fā)射第五個(gè)火星探測(cè)器“毅力”號(hào)，這次旅程將持續(xù)6個(gè)月。“毅力”號(hào)將啟動(dòng)一項(xiàng)任務(wù)，以收集可能具有古代生命痕跡的火星塵土樣本，這些樣本將在幾年后的另一項(xiàng)任務(wù)中返回地球。

它的負(fù)載中還有一個(gè)特殊物品：一架名為“創(chuàng)造力”號(hào)的小型自動(dòng)駕駛直升機(jī)。明年春天的某個(gè)時(shí)候，“創(chuàng)造力”號(hào)將悠悠啟動(dòng)，成為第一架在火星飛行的飛行器。

“創(chuàng)造力”號(hào)登場(chǎng)

想要對(duì)火星進(jìn)行一個(gè)整體了解，衛(wèi)星是最適合的工具。想要了解地面上的細(xì)節(jié)，火星車就特別擅長(zhǎng)細(xì)微地探索相對(duì)少量的地形。而對(duì)于概覽兩者之間的所有事物，一個(gè)飛行器就很重要了。

在過(guò)去幾年，火星車只能覆蓋幾十公里范圍，如今無(wú)人飛行器可以在一天內(nèi)輕松覆蓋。它們可以拍攝空中快照，以幫助火星車?yán)L制最佳路徑，或收集樣本并將其送回固定的著陸器進(jìn)行分析。

“創(chuàng)造力”號(hào)的硬件（相機(jī)、通信設(shè)備和航空電子設(shè)備）裝在一個(gè)小立方體中，該立方體由四根細(xì)長(zhǎng)的腿懸在空中，使它看上去有點(diǎn)像機(jī)器昆蟲。在飛行器頂部，有兩對(duì)轉(zhuǎn)子葉片，每對(duì)直徑4英尺，夾在機(jī)身和一塊矩形的太陽(yáng)能電池板之間。整個(gè)裝置的重量，不及一個(gè)裝滿的兩升蘇打水瓶，但它足夠堅(jiān)固，足以承受在發(fā)射、著陸以及在火星表面活動(dòng)時(shí)所面臨極端環(huán)境的傷害。

“下車”干活兒

“毅力”號(hào)到達(dá)火星后，將花費(fèi)數(shù)周的時(shí)間檢查系統(tǒng)。如果一切順利，那么首要任務(wù)就是在鋪滿巖石的耶澤羅撞擊坑中找到一塊空地，讓“乘客”下車。其實(shí)，“創(chuàng)造力”號(hào)自己會(huì)從火星車的“腹部”掉下來(lái)。

一旦火星車和“創(chuàng)造力”號(hào)分開，后者的壽命就要進(jìn)入倒計(jì)時(shí)了。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目首席工程師鮑勃·巴拉蘭和他的團(tuán)隊(duì)只有一個(gè)月時(shí)間，最多可以進(jìn)行5次試飛。巴拉蘭說(shuō)：“這項(xiàng)行動(dòng)的全部目的是獲取工程數(shù)據(jù)，因此我們可以說(shuō)，這完全按我們的想法行事，而火星上沒(méi)有任何意外?！?/p>

正如萊特兄弟用“小鷹”號(hào)進(jìn)行的飛行測(cè)試一樣，“創(chuàng)造力”號(hào)的首次飛行只有幾秒鐘時(shí)間。這是巴拉蘭團(tuán)隊(duì)在地球進(jìn)行的飛行測(cè)試的精準(zhǔn)復(fù)刻，他們可以對(duì)它的性能與期望進(jìn)行一次細(xì)致比較。

順利的話，“創(chuàng)造力”號(hào)將會(huì)嘗試挑戰(zhàn)性越來(lái)越強(qiáng)的飛行項(xiàng)目。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是可以在離地15英尺，從起飛點(diǎn)算起，最多可以跨越三個(gè)足球場(chǎng)的距離。它的電池將飛行時(shí)間限制在90秒之內(nèi)，雖然聽起來(lái)不太長(zhǎng)，但在火星上進(jìn)行飛行試驗(yàn)已經(jīng)足夠了。

小試牛刀

斯坦福大學(xué)航空工程師、從事硬幣大小的微型飛行器研究工作的依蘭·克魯和巴拉蘭進(jìn)行了合作?？唆斦f(shuō)：“我們很快意識(shí)到，在大氣中飛行微型設(shè)備，與在火星上飛行尺寸稍大的設(shè)備非常相似，至少在空氣動(dòng)力學(xué)上非常相似。我們的微型旋翼設(shè)計(jì)，放大一些以后就可以在火星上飛行?！?/p>

巴拉蘭和克魯在21世紀(jì)初，向美國(guó)宇航局（NASA）提交了建造火星直升機(jī)的提議，盡管有評(píng)審團(tuán)的積極反饋，但該提議未獲得資助。于是，這個(gè)想法又?jǐn)R置了15年，直到美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主任查爾斯·埃拉奇要求巴拉蘭重新編寫該提案，并將之作為該機(jī)構(gòu)最新火星車上可能搭載的附加試驗(yàn)項(xiàng)目。

2018年，美國(guó)宇航局官員宣布，小型無(wú)人駕駛直升機(jī)將成為2020年火星飛行任務(wù)的附屬科學(xué)任務(wù)。

就物理學(xué)而言，火星上直升機(jī)的飛行原理與在地球上基本相同：葉片旋轉(zhuǎn)，下拉空氣的速度足夠快以產(chǎn)生升力。但是，細(xì)節(jié)決定成敗。在一次早期測(cè)試中，來(lái)自加利福尼亞的機(jī)器人制造廠的工程師發(fā)現(xiàn)，一旦房間被密封并且抽出空氣以復(fù)制火星狀態(tài)后，飛行器就開始表現(xiàn)不穩(wěn)定。

整個(gè)裝置的重量，不及一個(gè)裝滿的兩升蘇打水瓶。

工程師把“創(chuàng)造力”號(hào)安裝在火星車的“腹部”

7月30日，“毅力”號(hào)火星探測(cè)器從美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空

在地球上，由于葉片的長(zhǎng)度和旋翼周圍的湍流空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)境，直升機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)具有上下拍打的自然傾向。如果不是由于地球的濃厚大氣將拍打的振動(dòng)衰減到可以控制的水平，那么拍打造成的反饋力度將大得驚人。而火星的大氣過(guò)于稀薄，無(wú)法產(chǎn)生這種阻尼效果，機(jī)器起伏不定的話，會(huì)給系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。為了彌補(bǔ)這種影響，“創(chuàng)造力”號(hào)團(tuán)隊(duì)重新打造了更加堅(jiān)硬的葉片。

“創(chuàng)造力”號(hào)不過(guò)是“小試牛刀”，更神奇的操作還在后面。美國(guó)宇航局計(jì)劃在2025年派出一架名為“蜻蜓”的小型核動(dòng)力四旋翼飛機(jī)，在土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六附近，執(zhí)行尋找生命的任務(wù)。“蜻蜓”的壽命將比“創(chuàng)造力”號(hào)長(zhǎng)得多，預(yù)計(jì)它將用兩年時(shí)間在土衛(wèi)六上空飛行，而且具有2英里的飛行高度范圍。

土衛(wèi)六被認(rèn)為是太陽(yáng)系中最容易飛行的地方，因?yàn)樗拇髿鈱臃浅３砻芮抑亓苄?。巴拉蘭說(shuō)：“如果你不介意那里太冷，可以自己駕駛飛機(jī)飛到那里去?！?/p>

當(dāng)然，就目前而言，人們還不得不使用無(wú)人直升機(jī)。

責(zé)任編輯榮智慧 rzh@nfcmag.com