首架无人机即将登陆火星

杨先碧

2020年7月30日，美国的“毅力号”火星车从佛罗里达州升空。与以往的火星任务不同的是，这次有一个“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”。

“机智号”有多大

美国本次火星探索任务主要是将“毅力号”送上火星，而“机智号”不过是个“添头”，一点也不起眼。这从对它们的投入就可以看出：“毅力号”耗资24亿美元，而“机智号”仅耗资0.85亿美元。

“毅力号”火星车是一个“大家伙”，其长度为3米，宽度为2.7米，高度为2.2米，净质量为1043千克。与“毅力号”相比，“机智号”小得可怜，其净质量为1.8千克，旋翼叶片长度为1.2米。

“机智号”巧妙地藏身于“毅力号”火星车的“腹部”，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”。此时，“机智号”就像是个袋鼠宝宝，静静地呆在“毅力号”火星车的“腹部”沉睡。

“机智号”如何飞翔

研究数据表明，火星上的大气环境十分恶劣。火星表面的大气压仅有地球上的0.7%，火星大气中95%是二氧化碳，火星大气的平均温度是-63℃。因此，无人机要想在火星上飞起来，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1/3，无人机不需要花太大的“力气”来克服火星引力。

为了“机智号”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个转子和4个长1.2米的叶片。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，但是它的飞行能力也特别有限：最大飞行距离为300米，最大飞行高度只有5米。这是因为火星上的飞行十分费劲，旋翼要旋转2800次/分钟才能保障“机智号”的正常飞行。而在地球大氣层中，旋翼旋转速度只需280次/分钟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，而“机智号”携带的充电式锂电池较小，因此“机智号”每次的飞行时间都很短，只有90秒。

那么，为何不给“机智号”配备更大的锂电池呢？因为如果携带的电池太大、太重，“机智号”将无法实现火星飞行任务。“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。但“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”的任务

目前，火星已有轨道飞行器和火星车。科学家为何还要研制无人机呢？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。

如果火星上曾经存在生命，那么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。无论出于怎样的考虑，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。

而无人机结合了轨道飞行器和火星车的优势，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、通信设备和成像设备，这样它可以按照地面科学家发布的指令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考任务。

“机智号”研制团队的首席科学家哈瓦德·格里普认为：“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。”或许到2021年2月，我们就可以欣赏到“机智号”从低空拍摄到的火星高清视频了。让我们一起来期待吧！

“机智号”名称的由来

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”这个名字来自美国亚拉巴马州诺斯波特的高中生瓦妮扎·鲁帕尼的提议。

此外，美国宇航局还曾邀请全美青少年参与为2020年发射的火星车命名的比赛，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“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，他们并没有再举办命名选拔赛，而是从火星车的优秀名称中挑选了一个。这就是“机智号”名称的由来，它是由美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷挑选出来的。

那么，为什么会提出“机智号”这个名字呢？瓦妮扎·鲁帕尼认为：“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体验到太空探索的奇观，聪明才智也能让人们完成令人惊叹的事情。”