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1%大气密度也能飞？NASA把无人机送上火星，最具野心探测计划启动( 二 )


如果想在火星上起飞 ， 飞行器必须是超轻的 ， 而且螺旋桨的转速要非常快 。 但螺旋桨也不能转太快 ， 因为随着速度的增加 ， 风险也会增加 。
「没有直升机在这种条件下飞起来过——这大概相当于在地球 3 万米海拔上起飞 ， 」NASA 喷气推进实验室技术组成员、火星无人机项目首席工程师 Bob Balaram 说道 。 「螺旋桨不能越转越快 ， 因为它的尖端会接近音速 ， 接下来就是超音速 。 我们并不想让它达到音速 ， 因为这会加剧湍流效应 。 」
通常在移动速度接近音速时 ， 会出现一股强大的阻力 ， 使飞行器产生强烈的振荡 ， 这个现象俗称为音障 。 即使是直升机旋翼的翼尖出现这样的情况也不好处理 。 顺便一提：火星的音速是 240m/s ， 比地球上还要慢三分之一 。
此外 ， 毅力号的设计团队还设定了无人机的尺寸 ， 确定该探测器可以容纳一个叶片直径 1.2 米的微型无人机 。
在弄清楚这些限制之后 ， NASA 喷气推进实验室（JPL）的工程师开始着手设计第一架火星无人机 。
他们将无人机的重量限制在 1.8 千克左右 ， 这得益于轻量级电子设备的进步 。 如果放在几十年前 ， 轻量级电子计算机、传感器、摄像机、陀螺仪等都还没有被发明出来 ， 造这么一个轻量级无人机几乎是不可能完成的任务 。
无人机的最终设计看起来像一只戴着复杂头饰的长腿蜘蛛 。 它的主体是一个盒子 ， 盒子上伸出四条腿 ， 使机身能够直立 。
无人机的顶部安装了四个碳纤维叶片 ， 还有一个太阳能电池板 。 这些叶片的设计转速可达每分钟 2400 转 。 对于无人机来说 ， 这是极快的转速 。 相比之下 ， 一架传统直升机每分钟的转速仅为 450 到 500 。
1%大气密度也能飞？NASA把无人机送上火星，最具野心探测计划启动
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Ingenuity 无人机和你的笔记本电脑差不多重 ， 不知道里面承载了多少黑科技 。
然而 ， 无人机造出来只是成功了一半 ， 重点是要确保它能在火星上飞起来 。 「除了设计 ， 你还要考虑一个问题：『怎么测试？』因为之前没有人这么做过 。 」MiMi Aung 表示 。
1%大气密度也能飞？NASA把无人机送上火星，最具野心探测计划启动
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幸运的是 ， NASA 的 JPL 实验室配置了可以用于这项工作的巨大测试室 。 这是一个名为「空间模拟器」的巨大房间 ， 它可以创造一个完全真空的环境 ， 还可以模拟无人机在离开地球之后可能面临的各种极端气温 。 为了模拟火星大气 ， 他们将空间模拟器抽成近乎真空的环境 ， 然后再往里填二氧化碳 ， 这样就得到了类似火星的大气密度 。
除了大气 ， 重力也是一个要解决的问题 。 为了模拟火星上的重力 ， 工程人员给无人机系上了一根细绳 。 这根细绳及相关装置叫做 Gravity Offload System ， 可以提供向上的拉力 。
在最初的几次飞行测试中 ， 研究小组发现 ， 测试无人机的叶片总是不停地上下摆动 。 由于叶片比较细长 ， 这种摆动的倾向也发生在地面直升机上 ， 但是厚重的大气减弱了这种影响 。
为了解决这个问题 ， 他们把螺旋桨的叶片做得非常硬 ， 比地球上同等大小的普通直升机要硬得多 。
该团队在各种极端条件下进行了数十次飞行测试 ， 最低测试温度达到零下 90 度 。 测试完成后 ， 他们将无人机折叠起来 ， 放入了毅力号探测器 。
在毅力号到达火星并找到合适的位置之后 ， 它会将 Ingenuity 放出来 ， 让它独立完成任务 。
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毅力号将 Ingenuity 放到火星表面后扬长而去 。
火星上的莱特兄弟时刻
「如果成功 ， 它将与莱特兄弟飞行成功的一刻媲美 。 」MiMi Aung 说道 。 在毅力号登陆火星后 90 天远程自检的时间段里 ， 她的团队有一个月的时间来试飞无人机 。 在未来 ， 我们或许可以看到无人机在遥远的火星上搜寻宇航员 ， 执行各种任务 。


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