背景介紹

機(jī)智號(hào)于2020年7月30日搭載毅力號(hào)火星車從地球發(fā)射升空，今年2月成功抵達(dá)火星軌道。此后，這架直升機(jī)隨同火星車降落在火星表面，展開(kāi)太陽(yáng)能電池板為自己供電，并為11日的首次試飛做準(zhǔn)備。然而，在旋翼測(cè)試過(guò)程中，機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)生了故障。

故障發(fā)生在直升機(jī)試圖從“飛行前模式”切換到“飛行模式”時(shí)。NASA表示，有必要進(jìn)行軟件更新來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)現(xiàn)在必須開(kāi)發(fā)、測(cè)試新軟件，并將其上傳到飛行控制器上。然后，任務(wù)團(tuán)隊(duì)必須重新啟動(dòng)機(jī)智號(hào)，以繼續(xù)按照原定計(jì)劃測(cè)試。

軟件故障推遲了機(jī)智號(hào)的首次短暫試飛。NASA計(jì)劃是讓這架直升機(jī)升空3米左右，盤(pán)旋大約30秒鐘，然后安全降落在適當(dāng)?shù)奈恢谩?duì)于地球上的無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，這是非常容易完成的任務(wù)，但在距離地球超過(guò)1.6億公里的紅色星球上，這將是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的壯舉。

火星大氣層比地球的稀薄約100倍，這使得飛行器的起飛和飛行變得更加困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，機(jī)智號(hào)的旋翼轉(zhuǎn)速需要達(dá)到每分鐘2500轉(zhuǎn)，這比地球上的載客直升機(jī)快得多。此外，由于火星距離地球太遠(yuǎn)，信號(hào)延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)地球遙控測(cè)試顯然不現(xiàn)實(shí)。為此，整個(gè)測(cè)試過(guò)程必須能夠自動(dòng)進(jìn)行。

NASA希望機(jī)智號(hào)在30天內(nèi)進(jìn)行五次空中演示，而且每次都要比前一次更具挑戰(zhàn)性。第一步是證明機(jī)智號(hào)可以飛行，最終是測(cè)試它能飛多遠(yuǎn)。機(jī)智號(hào)的目標(biāo)是增加NASA探索其他行星的方式。

NASA機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)項(xiàng)目主管戴夫·拉弗里(Dave Lavery)說(shuō)：“當(dāng)我們探索火星表面時(shí)，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于火星車來(lái)說(shuō)，地形太危險(xiǎn)、距離太遠(yuǎn)或范圍太大，無(wú)法有效或高效地完成這項(xiàng)工作，機(jī)智號(hào)或許可以彌補(bǔ)這些缺陷。”

一旦確定新的試飛日期，NASA計(jì)劃提前將機(jī)智號(hào)的飛行計(jì)劃傳送到火星，等待直升機(jī)重啟并執(zhí)行預(yù)定任務(wù)，并發(fā)回有關(guān)其性能的信息。（小小）

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47222美元1克的機(jī)智號(hào)直升機(jī)，起飛等于成功，在火星飛行有多難？

為了配合“火星2020”探索任務(wù)，美國(guó)航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室打造了一架無(wú)人直升機(jī)，它只有1.8公斤重，卻總共花掉了8500萬(wàn)美元，相當(dāng)于每克重量耗資47222美元！考慮到國(guó)際金價(jià)是61.66美元/克，這架名叫“機(jī)智號(hào)”的小飛機(jī)每克價(jià)格達(dá)到黃金的766倍，說(shuō)它是“史上最貴”應(yīng)該不會(huì)有人反對(duì)吧。

火星直升機(jī)機(jī)智號(hào)

如此昂貴的小飛機(jī)，它肩負(fù)著什么樣的科學(xué)使命呢？NASA對(duì)它的期待很簡(jiǎn)單，三個(gè)字：飛起來(lái)。

任務(wù)是如此地簡(jiǎn)單，“機(jī)智號(hào)”上沒(méi)有攜帶任何的科學(xué)設(shè)備，只裝了兩個(gè)攝像頭和一個(gè)低帶寬的無(wú)線傳輸設(shè)備，負(fù)責(zé)在1公里以內(nèi)把飛行過(guò)程的照片傳給火星車。當(dāng)然了，由于火星距離地球太遠(yuǎn)，電磁波一來(lái)一回至少需要十幾分鐘，從地面遙控?zé)o人機(jī)飛行不太現(xiàn)實(shí)，因此“機(jī)智號(hào)”會(huì)按照地面設(shè)定的程序，再根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)“自主”飛行。

飛行模擬動(dòng)畫(huà)

有朋友說(shuō)，NASA傻呀！不就是飛起來(lái)么，用大疆分分鐘搞定，1萬(wàn)塊錢(qián)不到的事。你別說(shuō)，用大疆還真未必行，因?yàn)榛鹦歉厍虻沫h(huán)境完全不一樣。

火星半徑大約是地球的一半，平均密度也小于地球，所以火星表面的重力很低，一個(gè)體重100斤的漂亮姑娘要是去到火星稱重，她大約只有38斤。也就是說(shuō)，地面上1.8公斤的“機(jī)智號(hào)”，在火星表面只需要0.68公斤的推力（差不多是電風(fēng)扇三檔風(fēng)）就能飛起來(lái)。是不是很容易？

在火星啟動(dòng)測(cè)試成功

但是且慢！你可能不知道火星大氣極度稀薄，表面大氣壓力只有地球海平面的0.6%，電風(fēng)扇開(kāi)三檔好比你打了個(gè)哈欠。火星空氣差不多相當(dāng)于地球34公里高度的空氣密度，在地球上只有一架飛機(jī)能飛到這么高，1977年前蘇聯(lián)的米格-25曾短暫地沖上37650米高度，排名第二的美國(guó)“黑鳥(niǎo)”升限是26600米。34公里已經(jīng)接近真空了，直升飛機(jī)那是想都別想。

米格-25與“黑鳥(niǎo)”

這么看起來(lái)，“機(jī)智號(hào)”想在火星上飛起來(lái)還真是不容易。

別看火星直升機(jī)身板兒小，總重量只有1.8公斤，但噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室卻給它配了兩對(duì)“巨大”的碳纖維螺旋槳，旋轉(zhuǎn)起來(lái)直徑達(dá)到1.2米；為了能飛起來(lái)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速要達(dá)到2400轉(zhuǎn)/分鐘，翼梢速度接近0.7馬赫。你可能會(huì)說(shuō)，2400轉(zhuǎn)不快呀，但相對(duì)于這么大的螺旋槳和如此輕的重量，要做到精準(zhǔn)可控，還是有點(diǎn)難的。

機(jī)智號(hào)

“機(jī)智號(hào)”采用了共軸雙槳的推進(jìn)方式，也就是說(shuō)它的兩副螺旋槳是上下重疊，下邊的螺旋槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，上邊的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，跟我們平常見(jiàn)到的大多數(shù)直升飛機(jī)不同。這又是為什么呢？

我們常見(jiàn)的直升飛機(jī)大多頂著個(gè)主旋翼，在尾巴上還豎著裝一個(gè)尾槳。主旋翼在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)推動(dòng)空氣，空氣的反作用力在旋翼上產(chǎn)生一個(gè)反向扭矩，旋翼逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)身就會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這是很危險(xiǎn)的，會(huì)造成飛機(jī)失控。我們?cè)谥鄙龣C(jī)的尾巴上也安裝一個(gè)螺旋槳，讓它向左吹風(fēng)，通過(guò)推力來(lái)補(bǔ)償機(jī)身的扭矩，就能達(dá)到控制方向的效果。

直升機(jī)力學(xué)簡(jiǎn)圖

大多數(shù)直升飛機(jī)都采用這種方式，是因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，不需要太過(guò)復(fù)雜的機(jī)械構(gòu)件，可靠性也更高。但它的機(jī)械效率比較低，因?yàn)榇罅康哪芰勘挥脕?lái)抵消扭力而不是用來(lái)產(chǎn)生升力。

1754年，俄羅斯科學(xué)家發(fā)明了同軸雙槳直升機(jī)，它將一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳裝在同一個(gè)軸上，當(dāng)兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速相同時(shí)，它們產(chǎn)生的扭矩會(huì)相互抵消，因此機(jī)身可以保持方向，不需要尾槳來(lái)糾偏。

共軸雙槳直升機(jī)不需要尾槳糾偏

同軸雙槳直升機(jī)的好處顯而易見(jiàn)，它顯著提升了螺旋槳的升力，輸出功率穩(wěn)定、飛行過(guò)程中葉片振動(dòng)小、同時(shí)降低了后退葉片失速現(xiàn)象。它的不足之處就是旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且由于葉片間氣流擾動(dòng)的關(guān)系，兩對(duì)槳葉相加的推力只比一對(duì)槳葉多15%，不是我們想象的1+1=2的關(guān)系。

機(jī)智號(hào)啟動(dòng)模擬動(dòng)畫(huà)

“機(jī)智號(hào)”配備了一組2Ah的索尼鋰電池，只能供小飛機(jī)飛最多90秒和大約50米距離，完了它必須停下來(lái)利用太陽(yáng)能充電。火星表面光照弱，充電時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)。

NASA在太空探索上面花錢(qián)向來(lái)都是不眨眼，一輛“毅力號(hào)”火星車耗資27.25億美元，花8500萬(wàn)做一架小飛機(jī)——盡管它的任務(wù)只是飛起來(lái)拍個(gè)短視頻，那也在情理之中，畢竟這是在火星上的第一次飛行。

可能下次咱們天問(wèn)二號(hào)訪問(wèn)火星也會(huì)帶架飛機(jī)上去，當(dāng)然，價(jià)錢(qián)肯定不會(huì)這么貴，像“機(jī)智號(hào)”這樣的，85萬(wàn)美元一架恐怕都有人罵“敗家”吧！

誰(shuí)知道呢？

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的美国“机智”号火星直升机已经完成首飞的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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