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火星:稀薄大气环境下的首架无人机!

2020-10-29 10:22 性质:转载 作者:蜡笔带你聊最新科技 来源:百家号
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2020年7月30日, 美国火星2020 探测器从佛罗里达州升空。与以往的火星任务不同的是,这次不仅携带了毅力号火星车,而且还有一个“小家伙”跟随升空,它就是即...

2020年7月30日, 美国火星2020 探测器从佛罗里达州升空。与以往的火星任务不同的是,这次不仅携带了毅力号火星车,而且还有一个“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”。

一、“机智号”有多大

美国最近的这次火星探测任务主要是将毅力号火星车送上火星,“机智号”不过是个“添头”,因此它一点也不起眼。这从对它们的投入就可以看出来:“毅力号”耗资24亿美元,而“机智号”仅仅0.85亿美元。“毅力号”是一个“大家伙”,和一辆家用小轿车差不多大,其长3米、宽2.7米、高2.2米、净重1043千克。与“毅力号”相比,“机智号”小得可怜,净重只有1.8千克,旋翼叶片长度为1.2米。

“机智号”藏于“毅力号”的“腹部”,并随着“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”中。此时,“机智号”像是个袋鼠宝宝,静静地在“毅力号”的“腹部”沉睡。

二、“机智号”如何飞翔

火星大气环境十分恶劣:火星表面的大气压仅有地球的 0.7%;火星大气中几乎没有氧气,95% 是二氧化碳,火星大气的平均温度是 –63℃。因此,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三分之一,无人机不需要花太大的“力气”来克服火星引力。为了让“机智号”能在火星上顺利飞行,科学家为它设计了先进的旋翼。这个旋翼包括2个转子、4个叶片,每个叶片长1.2米。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,但它的飞行能力还是特别有限:最大飞行距离为300米,最大飞行高度只有5米。这是因为在火星上飞行十分费劲,旋翼要每分钟旋转2800次才能保障“机智号”的正常飞行。而在地球大气层中,旋翼旋转速度只需280次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,且“机智号”携带的充电式锂电池又不能太大,因此“机智号”每次的飞行时间很短,只有90秒。为什么不给“机智号”配备更大的锂电池呢?这是因为如果携带的电池太大太重的话,“机智号”可能在火星上就飞不起来了。“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。“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。

三、“机智号”有什么用

目前,在火星上工作的有轨道飞行器和火星车。为什么科学家还要研制无人机呢?这是因为轨道飞行器离火星表面太远,难以进行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。

如果火星上曾经演化出生命,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。无论出于什么样的考虑,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。

无人机则结合了轨道飞行器和火星车的优势,它既可以从空中俯瞰,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、成像设备,这样它可以按照地面科学家发布的指令进行飞行,飞到火星车难以抵达的区域。

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