航天航空：“機智”號直升機在火星首次成功起飛，為何此事意義重大


圖片來源：Pixabay
今年2月隨“毅力”號火星車降落在火星上的“機智”號直升機於澳大利亞東部標準時間4月19日9點從火星表麵成功起飛。它在離地麵3米的上空盤旋了約30秒，然後又重新降落。
這聽起來可能不像一個巨大的成就，但它確實是。“機智”號的飛行是人類設計的飛行器在另一個星球的首次製動飛行。它是人類太空探索史上的一個裏程碑事件。
眾所周知，阿波羅11號飛船曾著陸在月球上，它隻需要重新發射，脫離月球引力返回地球。但在一個沒有大氣層的環境維持一段時間的飛行，則是另一回事。
科學家製造這架具有曆史意義的“機智”號直升機，共花了六年時間。一旦我們清楚了製造這一飛行器的複雜性，就能理解為何會用了這麽長的時間。
為什麽在火星飛行是件大事
直升機在另一個星球進行飛行要麵臨幾個技術挑戰。首先，也是最重要的一點，直升機需要在大氣層中飛行。
直升機的槳葉或旋翼必須旋轉得足夠快，以產生一種稱為“升力”的力。雖然火星的確有大氣層，但比地球稀薄得多——實際上大約隻是地球的百分之一。
因此，“機智”號在火星大氣層中飛行就相當於在地球上近3萬米的高空飛行。作為參考，商用飛機在地球的飛行高度在0.9~1.2萬米之間，而直升機所到達過的最高高度是1.3萬米。
在地球測試飛行器需要一個加壓的房間，並將其中大量的空氣抽走來模擬火星大氣層。
另外，我們還需要考慮火星引力，它大約是地球引力強度的三分之一。這實際上給了我們一點優勢。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“機智”號起飛。
不過，雖然火星的引力對我們有利，但大氣層的稀薄抵消了這點優勢。
“機智”號的成功標誌著首次在地球之外實現這種飛行。正如前文所說，這樣做的原因可能僅僅是這項任務非常非常困難。


“機智”號直升機 圖片來源：Pixabay
先進製造
有兩種主要方法可以克服火星大氣造成的阻礙。首先，為了產生升力，兩個旋翼（由碳纖維製成）的旋轉速度必須比地球上任何一架直升機都快。
在地球上，大多數直升機和無人機的旋翼轉速約為每分鍾400-500轉。“機智”號的旋翼轉速約為每分鍾2400轉。
它也有一個獨特的飛機翼展比。雖然“機智”號的機身隻有紙巾盒那麽大，但它的兩翼展開距長達1.2米。
即使是發射飛機起飛的信號也需要一係列的先進技術。雖然無線電信號在地球和火星之間傳輸隻需要幾分鍾，但這些信號到達直升機的時間仍會延遲幾個小時。
延遲是因為信號需要經曆數次傳輸，。信號必須先從地球上的電腦到碟形衛星接收器，再到火星勘測軌道飛行器，之後到“毅力”號探測器，最後才能到達直升機。
火星遙控飛行
我們稱“機智”號為“技術示範者”。簡單地說，它唯一的目的就是證明它能夠完成一係列簡單的任務。在首次成功起飛之後在接下來的幾周裏，這架直升機還將需要進行3到4次飛行，其中最冒險的一次將是起飛和飛離“毅力”號至大約300米外的地方。
工作人員將分析從飛行中獲得的數據，並把它們作為設計未來更先進飛機的重要輸入數據。一旦這項技術得到應用，其潛力將是巨大的。
火星上的無人機和直升機還可以充當偵察機，檢查火星車前方的陸地，確認是否可以安全地行進。這種飛行器甚至可以幫助尋找火星表麵的水和生命。
預計在2035年，第一批人類將登陸火星。他們很可能會接受本地和實時操作飛機的訓練，查找陸地上可能會傷害人類，損壞宇航服、飛行器或火星車的障礙物和危險地形。


火星 圖片來源：Pixabay
致敬過去，展望未來
美國宇航局噴氣推進實驗室的科學家在火星直升機的一塊太陽能電池板下麵的電纜上放了一件曆史文物——萊特兄弟1903年製造的萊特飛行器上的一小塊機翼，以對地球第一次動力飛行的致敬。
這是進入太空的第二件地球飛行器部件；此前，一個機翼碎片在阿波羅任務中也登上過月球。
其他星球動力飛行的障礙清除任務已經開始了。特別值得一提的是，“蜻蜓”號直升機計劃於2034年到達土星衛星土衛六的表麵。
也許它也要帶著一段地球的曆史一同前往，並且這個習慣會在我們探索其他行星的過程中延續不斷。
撰文：Gail Iles，皇家墨爾本理工大學物理高級講師
翻譯：張乃欣
審校：曾小歡
引進來源：theconversation


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