航天航空：“機(jī)智”號(hào)直升機(jī)在火星首次成功起飛，為何此事意義重大


圖片來(lái)源：Pixabay
今年2月隨“毅力”號(hào)火星車(chē)降落在火星上的“機(jī)智”號(hào)直升機(jī)于澳大利亞?wèn)|部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間4月19日9點(diǎn)從火星表面成功起飛。它在離地面3米的上空盤(pán)旋了約30秒，然后又重新降落。
這聽(tīng)起來(lái)可能不像一個(gè)巨大的成就，但它確實(shí)是?！皺C(jī)智”號(hào)的飛行是人類設(shè)計(jì)的飛行器在另一個(gè)星球的首次制動(dòng)飛行。它是人類太空探索史上的一個(gè)里程碑事件。
眾所周知，阿波羅11號(hào)飛船曾著陸在月球上，它只需要重新發(fā)射，脫離月球引力返回地球。但在一個(gè)沒(méi)有大氣層的環(huán)境維持一段時(shí)間的飛行，則是另一回事。
科學(xué)家制造這架具有歷史意義的“機(jī)智”號(hào)直升機(jī)，共花了六年時(shí)間。一旦我們清楚了制造這一飛行器的復(fù)雜性，就能理解為何會(huì)用了這么長(zhǎng)的時(shí)間。
為什么在火星飛行是件大事
直升機(jī)在另一個(gè)星球進(jìn)行飛行要面臨幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，也是最重要的一點(diǎn)，直升機(jī)需要在大氣層中飛行。
直升機(jī)的槳葉或旋翼必須旋轉(zhuǎn)得足夠快，以產(chǎn)生一種稱為“升力”的力。雖然火星的確有大氣層，但比地球稀薄得多——實(shí)際上大約只是地球的百分之一。
因此，“機(jī)智”號(hào)在火星大氣層中飛行就相當(dāng)于在地球上近3萬(wàn)米的高空飛行。作為參考，商用飛機(jī)在地球的飛行高度在0.9~1.2萬(wàn)米之間，而直升機(jī)所到達(dá)過(guò)的最高高度是1.3萬(wàn)米。
在地球測(cè)試飛行器需要一個(gè)加壓的房間，并將其中大量的空氣抽走來(lái)模擬火星大氣層。
另外，我們還需要考慮火星引力，它大約是地球引力強(qiáng)度的三分之一。這實(shí)際上給了我們一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。如果火星和地球有相同的大氣層，但火星上的引力較小，就意味著我們可以用比原本所需的更少的力就能讓“機(jī)智”號(hào)起飛。
不過(guò)，雖然火星的引力對(duì)我們有利，但大氣層的稀薄抵消了這點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。
“機(jī)智”號(hào)的成功標(biāo)志著首次在地球之外實(shí)現(xiàn)這種飛行。正如前文所說(shuō)，這樣做的原因可能僅僅是這項(xiàng)任務(wù)非常非常困難。


“機(jī)智”號(hào)直升機(jī) 圖片來(lái)源：Pixabay
先進(jìn)制造
有兩種主要方法可以克服火星大氣造成的阻礙。首先，為了產(chǎn)生升力，兩個(gè)旋翼（由碳纖維制成）的旋轉(zhuǎn)速度必須比地球上任何一架直升機(jī)都快。
在地球上，大多數(shù)直升機(jī)和無(wú)人機(jī)的旋翼轉(zhuǎn)速約為每分鐘400-500轉(zhuǎn)。“機(jī)智”號(hào)的旋翼轉(zhuǎn)速約為每分鐘2400轉(zhuǎn)。
它也有一個(gè)獨(dú)特的飛機(jī)翼展比。雖然“機(jī)智”號(hào)的機(jī)身只有紙巾盒那么大，但它的兩翼展開(kāi)距長(zhǎng)達(dá)1.2米。
即使是發(fā)射飛機(jī)起飛的信號(hào)也需要一系列的先進(jìn)技術(shù)。雖然無(wú)線電信號(hào)在地球和火星之間傳輸只需要幾分鐘，但這些信號(hào)到達(dá)直升機(jī)的時(shí)間仍會(huì)延遲幾個(gè)小時(shí)。
延遲是因?yàn)樾盘?hào)需要經(jīng)歷數(shù)次傳輸，。信號(hào)必須先從地球上的電腦到碟形衛(wèi)星接收器，再到火星勘測(cè)軌道飛行器，之后到“毅力”號(hào)探測(cè)器，最后才能到達(dá)直升機(jī)。
火星遙控飛行
我們稱“機(jī)智”號(hào)為“技術(shù)示范者”。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它唯一的目的就是證明它能夠完成一系列簡(jiǎn)單的任務(wù)。在首次成功起飛之后在接下來(lái)的幾周里，這架直升機(jī)還將需要進(jìn)行3到4次飛行，其中最冒險(xiǎn)的一次將是起飛和飛離“毅力”號(hào)至大約300米外的地方。
工作人員將分析從飛行中獲得的數(shù)據(jù)，并把它們作為設(shè)計(jì)未來(lái)更先進(jìn)飛機(jī)的重要輸入數(shù)據(jù)。一旦這項(xiàng)技術(shù)得到應(yīng)用，其潛力將是巨大的。
火星上的無(wú)人機(jī)和直升機(jī)還可以充當(dāng)偵察機(jī)，檢查火星車(chē)前方的陸地，確認(rèn)是否可以安全地行進(jìn)。這種飛行器甚至可以幫助尋找火星表面的水和生命。
預(yù)計(jì)在2035年，第一批人類將登陸火星。他們很可能會(huì)接受本地和實(shí)時(shí)操作飛機(jī)的訓(xùn)練，查找陸地上可能會(huì)傷害人類，損壞宇航服、飛行器或火星車(chē)的障礙物和危險(xiǎn)地形。


火星 圖片來(lái)源：Pixabay
致敬過(guò)去，展望未來(lái)
美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在火星直升機(jī)的一塊太陽(yáng)能電池板下面的電纜上放了一件歷史文物——萊特兄弟1903年制造的萊特飛行器上的一小塊機(jī)翼，以對(duì)地球第一次動(dòng)力飛行的致敬。
這是進(jìn)入太空的第二件地球飛行器部件；此前，一個(gè)機(jī)翼碎片在阿波羅任務(wù)中也登上過(guò)月球。
其他星球動(dòng)力飛行的障礙清除任務(wù)已經(jīng)開(kāi)始了。特別值得一提的是，“蜻蜓”號(hào)直升機(jī)計(jì)劃于2034年到達(dá)土星衛(wèi)星土衛(wèi)六的表面。
也許它也要帶著一段地球的歷史一同前往，并且這個(gè)習(xí)慣會(huì)在我們探索其他行星的過(guò)程中延續(xù)不斷。
撰文：Gail Iles，皇家墨爾本理工大學(xué)物理高級(jí)講師
翻譯：張乃欣
審校：曾小歡
引進(jìn)來(lái)源：theconversation


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