机智号火星直升机正为它的首次试飞做准备

NASA机智号直升机火星飞行艺术概念图
图片来源:NASA /加州理工-喷气推进实验室

如今,机智号火星直升机(Ingenuity Mars Helicopter)卸掉了保护性的碳纤维防护,正为下一步操作做准备。

美国航空航天局(NASA)目前计划在4月8日或之后,让机智号火星直升机首次尝试在另一颗行星上的动力控制飞行。然而,这一重约4磅(约合1.8千克)旋翼飞行器在首次尝试飞行之前,直升机和机智号团队都必须达成一系列艰巨的里程碑式目标。

机智号火星直升机正为它的首次试飞做准备

毅力号漫游车弃掉了它的碎片护罩:这个碎片护罩是NASA毅力号漫游车底部的防护罩,于2021年3月21日被卸下。在着陆火星时,碎片护盾对NASA机智号直升机起到了保护作用,而卸下了它直升机才能向下旋转从毅力号的腹部探出来。
图片来源:NASA / 加州理工-喷气推进实验室 / 马林空间科学系统公司(Malin Space Science Systems, MSSS)

NASA的毅力号(Perseverance)火星车2月18日成功降落火星表面,而机智号直升机一直位于毅力号的腹部。3月21日,毅力号卸下了吉他盒形状的石墨复合材料碎片护罩,在毅力号着陆过程中,碎片护罩对机智号起到了保护作用。目前,毅力号火星车正在前往机智号将首次试飞的“机场”。部署完成后,机智号将会有30个火星日(约31个地球日)来进行它的试飞活动。

“1997年,当NASA的旅居者号(Sojourner)漫游车成功降落在火星上时,它就证明了在红色星球上行驶是可能的,并彻底重新定义了我们探索火星的方式。同样,这一次我们想了解机智号对未来科学研究的潜在助益,”NASA总部行星科学部(Planetary Science Division)主任洛丽·格罗兹(Lori Glaze)说,“机智号是一项技术演示,目的是成为在另一颗星球上的首个动力飞行器,如果成功了,它将进一步开拓我们的视野,扩展火星探测的可能性范围。”

在火星上进行动力控制飞行比在地球上要困难得多。火星的引力相当可观,大约为地球引力的三分之一,但火星大气层的密度只有地球表面大气密度的1%。白天时,火星表面接收的太阳能总量只有地球的一半,而火星夜里的温度可以降至零下90摄氏度,这会让未受保护的电气组件结冻甚至破裂。

为了适应毅力号火星车能够提供的“住宿条件”,机智号直升机的体积必须尽可能小;为了能在火星的环境中飞行,它必须尽可能轻;为了在严寒的火星夜间度过难关,它必须拥有足够的能量为内部加热器供电。机智号的系统性能,从转子在稀有空气中的表现,到太阳能电池板、电加热器和其他组件的性能,都已经在位于南加州NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion LaboratoryJPL)的真空室和测试实验室中进行了测试和二次测试。

“自6年前这一旅程开始以来,我们迈出的每一步都踏在了飞机历史上未知的领域中,”喷气推进实验室的火星直升机首席工程师鲍勃·巴拉兰姆(Bob Balaram)说道,“将直升机部署到火星表面将是一个巨大的挑战,但在火星上独自挺过第一个夜晚、没有毅力号火星车保护它并为它提供能量将是一个更大的挑战。”

部署直升机

机智号火星直升机正为它的首次试飞做准备

范·齐尔俯瞰(Van Zyl Overlook):NASA的毅力号漫游车将在名为“范·齐尔俯瞰”的地方观察机智号在火星上的动力控制试飞。
图片来源:NASA /加州理工-喷气推进实验室

在火星上进行首次飞行之前,机智号必须正好处在它的“机场”中央位置,团队所选的“机场”是一片10×10平方米、平坦性好且没有障碍物的火星地皮。一旦直升机和漫游车团队确认毅力号恰好位于所希望的机场内确切位置,他们便会开启将直升飞机部署到火星表面的复杂过程。

“和直升机的所有相关技术一样,我们从未执行过这种部署,”毅力号漫游车火星直升机整合负责人法拉赫·阿利拜(Farah Alibay)说道,“一旦我们开始进行部署,就没有任何退路可言。所有操作都是紧密协调、不可逆转且相互依赖的。哪怕是有半点的迹象表明某部分没有按预期进行,我们可能就会决定暂缓至少一个火星日,直到我们更好地了解到底发生了什么。”

直升机的部署过程大约需要6个火星日(相当于地球上6天零4个小时)。在第1个火星日中,地球上的团队将激活一个螺栓破坏装置,松掉发射和着陆火星期间将直升机牢牢地固定在火星车腹部的锁定机制。而在接下来的一个火星日中,团队将启动用于切断缆绳的装置,让握住机智号的机械臂将直升机旋转出它的平位置,与此同时,机智号这架旋翼飞机也会伸展出它4个着陆腿的其中2个。

在部署程序的第3个火星日,将有一台小型电动机帮助机智号完成旋转,直到它被闩锁卡定,完全处于垂直状态。在第4个火星日中,最后2个着陆脚将伸出并卡入到位。这4个火星日的每一天里,随着机智号逐渐从折叠状态展开转换成飞行状态,“华生”[WASTON,全称“用于操作和工程的广角地形传感器(Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering)] 相机都会拍下相应的确认照片。在直升机变换到最终形态时,它将悬吊在火星表面上方约5英寸(13厘米)的位置,到那时,将只有一个螺栓和几十个微小的电气触点将直升机连接到毅力号上。在部署程序的第5个火星日,团队将利用最后的机会将毅力号作为机智号的电源,为它的6个电池充电。

“一旦我们将毅力号的连接掐断,降下最后的5英寸高度让机智号落在火星表面,我们希望毅力号这个大个子能尽快驶离,让太阳光线照射到机智号的太阳能电池板上,开始给它的电池充电。”巴拉兰姆说道。

部署程序的第6个也是计划的最后一个火星日中,团队将须要确认3件事:一是机智号的4条腿是否牢牢固定在了杰泽罗陨石坑(Jezero Crater)表面,二是毅力号火星车是否驶离了约16英尺(约合5米)远;三是直升机和火星车是否都能通过机载无线电进行通讯。这一里程碑式的部署操作还会开启一项30个火星日的进程,在此期间团队必须完成所有的飞行前检查和飞行测试。

NASA的机智号火星直升机已于2021年2月18日抵达红色星球,它的使命是:演示在另一颗星球上的首次动力飞行。
视频来源:NASA /加州理工-喷气推进实验室

“机智号是一项实验性的工程飞行测试,我们想试试我们能不能在火星上飞行,”喷气推进实验室的机智号火星直升机项目负责人米米·昂(MiMi Aung)说道,“直升机上没有科学仪器,我们也没有设定获取科学信息的目标。我们有信心,能在这30个火星日的窗口期取得我们想要在火星表面和空中获得的所有工程数据。”

和直升机的部署一样,机智号和毅力号团队将有条不紊地进行后续的的飞行测试。如果团队错过或对正式飞行前的程序有疑问,那他们可能需要一个或多个火星日来更好地理解问题。但如果直升机在部署到火星表面的第1个火星夜中得以幸存,那么该团队将在接下来的几个火星日里尽一切可能确保飞行成功,包括转动旋翼桨叶、验证惯性测量单元的性能,并在将转子加速至2537转/分的过程中对整个转子系统进行测试(此时机智号的起落架仍牢牢地固定在火星表面)。

火星上的首次飞行测试

机智号火星直升机正为它的首次试飞做准备

机智号飞行区的漫游车视角:这张图从NASA的火星2020毅力号漫游车的角度展示了NASA机智号直升机的飞行区。飞行区是直升飞机将尝试飞行的区域。
图片来源:NASA /加州理工-喷气推进实验室

一旦团队准备好来尝试首次飞行,毅力号将接收来自喷气推进实验室任务负责人的最终飞行指令,并将其转发给机智号,而飞行的准确时间将取决于多个因素,包括对火星当地风型的建模,以及由毅力号上的火星环境动力学分析仪(Mars Environmental Dynamics Analyzer,MEDA)进行的测量。机智号的转子将以2537转/分的速度运转,如果所有最终的自检结果看起来都挺不错,它就会起飞,以每秒约3英尺(每秒1米)的速度上升,然后在火星表面上方10英尺(3米)处悬停长达30秒的时间,最后,火星直升机将下降并落在火星表面。

机智号火星直升机正为它的首次试飞做准备

机智号直升机飞行区地图:这张图显示了NASA机智号火星直升机将要进行测试飞行的位置。直升机工程师在NASA火星勘测轨道飞行器Mars Reconnaissance Orbiter)上的高分辨率成像科学实验(High Resolution Imaging Experiment,HiRISE)相机拍摄的图像上,添加了火星车的着陆点、机场和飞行区的位置。
图片来源:NASA / 加州理工-喷气推进实验室 / 亚利桑那大学(University of Arizona)

首次飞行几小时后,毅力号将传回机智号的第一组工程数据,可能还会有来自毅力号漫游车导航相机(Navigation Camera)和桅杆变焦相机(Mastcam-Z)的图像和视频。根据飞行后第一个晚上传回的数据,火星直升机团队希望能够确定他们在火星上的首次飞行尝试是否成功。

在接下来的一个火星日里,飞行中收集的所有剩余工程数据以及直升机自己的导航相机获得的一些低分辨率黑白图像也将被传输到喷气推进实验室。这一阶段的第3个火星日,直升机高分辨率彩色相机拍摄的两张图像也会被传回。火星直升机团队将利用所有的可用信息来确定进行下一次测试的时间和方式。

“在火星上行进举步维艰,”昂表示,“我们的计划是,无论红色星球给我们带来什么样的困境,我们都将以过去六年来我们所面对的每一个挑战的方式,再加上坚韧的毅力、刻苦的努力和适当的智力来处理。”

一段人类飞行史

机智号在另一颗星球上的首次动力控制飞行还未达成,但在地球上,人类的第一次动力控制飞行发生在1903年12月17日,地点位于美国北卡罗来纳州基蒂霍克附近大风呼啸的沙丘上。奥维尔·莱特(Orville Wright)和威尔伯·怀特(Wilbur Wright)在他们的第一次成功飞行中于12秒的时间内飞行了120英尺(约36.5米)。怀特兄弟在那天一共进行了4次飞行,每次飞行持续的时间都比前一次更久。

机智号火星直升机正为它的首次试飞做准备

莱特兄弟:奥维尔·莱特于1903年12月17日在美国北卡罗来纳州的基蒂霍克进行了首次动力控制飞行,成功飞行了人类历史上的第一架飞机“飞行者一号”(Flyer 1)。NASA机智号火星直升机将于不久后尝试在另一个星球上进行首次动力控制飞行,而机智号上就搭载着飞行者一号的机翼覆盖材料。
图片来源:美国国会图书馆(Library of Congress)

如今,机智号飞机携带了少量的特殊材料,即莱特兄弟名为“飞行者”(Flyer)飞机机翼的覆盖材料,团队人员用绝缘胶带将一小块布料样品包裹粘贴在了直升机太阳能面板下方的电缆上。从1901年开始,莱特兄弟就曾使用相同类型的材料覆盖他们的滑翔机和飞机机翼,这是一种未经漂白的平纹细布,被称为“西方骄傲”(Pride of the West)。在1969年7月著名的登月任务中,阿波罗11号Apollo 11)的机组人员曾携带了另一块不同的材料以及飞行者飞机上的一小块木头,从地球前往月球并顺利返回。

机智号的更多相关信息

喷气推进实验室负责建造了机智号火星直升机由,同时为NASA总部管理着相关的技术演示。机智号得到了NASA科学任务理事会(Science Mission Directorate)、NASA航空研究任务理事会(Aeronautics Research Mission Directorate)和NASA太空技术任务理事会(Space Technology Mission Directorate)的支持。 NASA的艾姆斯研究中心Ames Research Center)和兰利研究中心(Langley Research Center)为机智号提供了重要的飞行性能分析和技术援助。

在NASA总部,戴夫·莱弗里(Dave Lavery)是机智号火星直升机的计划主管。在喷气推进实验室,米米·昂是项目负责人,J·鲍勃·巴拉兰姆是总工程师。

想了解更多机智号的相关信息,请访问:

https://go.nasa.gov/ingenuity-press-kit

以及

https://mars.nasa.gov/technology/helicopter

毅力号的更多相关信息

毅力号任务在火星上的主要目标是天体生物学,包括寻找古微生物生命的迹象。毅力号将对火星的地质和过去的气候进行表征,为未来人类探索红色星球铺平道路,除此之外,毅力号任务还是第一个收集和储存火星岩石风化层regolith,破碎的岩石和尘土)样本的任务。

NASA将与欧洲空间局(European Space Agency,ESA)合作进行后续的飞行任务,送探测器前往火星,从火星表面收集暂时缓存的样本,然后将它们返回地球进行进一步的分析。

喷气推进实验室由位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院(Caltech)为NASA代为管理,毅力号的建造和运营管理由喷气推进实验室负责。

毅力号火星探测任务的更多相关信息请见:

nasa.gov/perseverance

以及

mars.nasa.gov/mars2020/

参考来源:

https://mars.nasa.gov/news/8896/nasa-ingenuity-mars-helicopter-prepares-for-first-flight/

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