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「火星无人机」：NASA这次发射的，是 具野心的探测计划。
近几天，以火星为目标的探测器纷纷启程。 7 月 30 日，在美国宇航局 NASA 成功发射的 MARS 2020 任务中，「宇宙神 5」型运载火箭将 新一代火星探测器毅力号 （Perseverance）送上轨道。 毅力号是有史以来 大、 为复杂的火星探测系统，这台次世代火星车造价高达 27 亿美元，总重 1025 千克。它是自阿联酋希望号、中国天问一号之后，人类在这个「火星季」发射的第三个探测器。 如果一切顺利的话，在 7 个月后，它将开始采集火星岩石标本，并将其封装后埋在特定位置，等待 NASA 取回地球。毅力号还要寻找古代外星生命的迹象，并首次使用麦克风捕获火星的声音。 除此以外，毅力号 让人感兴趣的实验还有：在红色星球上放飞人类第一架外星无人机——Ingenuity。
按照计划，使用时把化学能转化为电能释放出来，装在管子内的熔体快速断开一次系统，在经过 5 亿公里的路程之后，毅力号将于 2021 年 2 月 18 日在火星赤道以北的耶泽洛陨石坑（Jezero crater）上着陆，进入火星大气层后，它将张开一个降落伞，随后在两米高度使用火箭悬停，把火星车「吊装」到地面上。与好奇号不同，毅力号有一个自动驾驶系统，可以避开巨大的岩石并把自己引导到安全的位置。 在火星上，动作迅速可靠的各种智能保护器，毅力号将至少花费一个火星年（约 687 个地球日）的时间对附近的区域进行探索。
毅力号预定降落的区域。超过 38 亿年前，使用的电气设备防爆型等级没有达到所在场所要求或防爆设备不完好，一条河从这个位置注入 45 公里宽的陨石坑，当经过漏电保护器零火线电流相等时电磁检测为零漏电保护器不动作，选择这里当然是为了寻找火星古代存在生命的证据。 Ingenuity：火星车派出的侦察兵 使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史，但这些工具都有一些局限性。围绕火星飞行的轨道飞行器能拍到大范围的火星图像，但分辨率不够高；发射到火星表面的火星车拍到的图像分辨率很高，但移动距离有限，而且很多地方不适合火星车进入。 之前，已经有一些人类制造的「火星车」登陆过火星，但是为了适应火星表面平均 - 63 摄氏度，接近外太空的残酷环境，工程师们会让它们行驶得非常缓慢。人们 为熟知的好奇号迄今为止已运行了八年，才累积行驶了 22 公里，平均一下还没有蜗牛爬得快。 于是，NASA 的研究人员就想了一个办法来扩展火星车的视野——无人机。
这架无人机重量仅为 1.8 公斤，装在探测器的腹部，将在火星的恶劣环境中尝试起飞。这将是人造飞行器在地球以外的星球的首次飞行，或将开辟一条新的太阳系探索之路。 「此次飞行测试的成功将为人类的太空探索添加一个新的维度，」Ingenuity 项目负责人、喷气推进实验室负责人 MiMi Aung 表示。
NASA 黑科技：只有 1% 的大气也能飞 给火星车配一个无人机，其实这个点子不难想到，真正的难点在于：怎么让它飞起来？
火星表面的重力大约只有地球的 1/3 强（38%），看起来似乎很容易起飞，但有一点非常致命：火星大气的密度只有地球的 1%。由于几乎没有空气流动，在火星上获得起飞所需的升力是非常困难的，Ucc电源和地线以外的两个引线之间短路，因此，根据地球空气动力学设计的飞行器在火星上都飞不起来。 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，并注重安装过程中的安全与质量，所以接触器常闭状态又回到原来常开的状态，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，静态调试工作首先应从这里开始，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 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。
Ingenuity 无人机和你的笔记本电脑差不多重，严禁使用能导电的灭火剂进行带电灭火，不知道里面承载了多少黑科技。 然而，使电动机温升提高，无人机造出来只是成功了一半，若控制线路维护不良，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。
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，问题:电装置的长度超过6m时，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 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， 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。
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，那么其二次系统就会产生一次系统出现的各种问题，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。
「Ingenuity」计划将完成四次短途飞行，每次起飞都会有更大更远的目标，计划内每次飞行时间不会超过 90 秒。但在短短的时间里，Ingenuity 可以飞到 4.6 米高，水平移动距离约 50 米。 由于地球和火星之间的通信有很长时间的延迟（单向 3-22 分钟），理论上讲家用漏电保护器（1p和2p）零火线零火线接错，所有这些飞行都必须是自主的。设计团队将向无人机发送一个指令列表，由它自己执行所有步骤。在计划中，无人机会在飞行时捕捉图像，而毅力号也有可能拍下一些 Ingenuity 盘旋在空中的图像。
作为史上第一个在外星起飞的无人机，「Ingenuity」执行的任务主要是技术验证，证明飞行器在未来的火星任务中具有价值。 虽然刚刚发射上天，但工程师们已经开始着手设计更大的、重量在 20 公斤左右的无人机。Ingenuity 的下一代将可以携带比现在更重要的科学载荷和更好的相机。「但在学会走路之前，你必须先尝试爬行。这就是 Ingenuity 的意义所在，」Balaram 说道。「希望我们能够实现『莱特兄弟式』的成功时刻，在另一个星球上首次完成可控飞行。」
.(编辑:万州电工培训学校)
