“机智号”在火星上腾飞

杨先碧

2020年7月30日，“毅力号”火星车从美国佛罗里达州升空。与以往的火星探测任务不同，这次有一个小家伙跟随升空，它就是在火星上翱翔的首架无人机——“机智号”。

“机智号”有多大

“毅力号”火星车和一辆家用小轿车差不多大小，其长度为3米，宽度为2.7米，高度为2.2米，净质量为1043千克。与“毅力号”相比，“机智号”小得可怜，净质量只有1.8千克，旋翼叶片长度为1.2米。

“机智号”藏在火星车的腹部。“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。当火星车着陆火星之后，科学家会将“机智号”唤醒，令其从火星车腹部飞出来。

每一次飞行任务完成后，“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，静静地在火星车腹部沉睡。

“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%，而火星大气中几乎没有氧气，95%是二氧化碳，大气的平均温度是-63℃。因此，想在火星上飞起来是件不容易的事情。当然，无人机在火星上飞行也有比在地球上飞行有利的地方，火星引力只有地球引力的1/3，无人机不需要花太大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个转子和4个叶片，每个叶片长1.2米。这些叶片采用碳纤维材料，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。

尽管采用了先进的材料和设计，“机智号”的飞行能力仍然非常有限：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条件苛刻，旋翼得每分钟旋转2400转才能保障“机智号”正常飞行。而在地球大气层中，旋翼旋转速度只需280次/分钟左右，就可轻松且平稳地飞行。

“机智号”将在火星车着陆后的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。由于旋翼功率大，而所携带的充电式锂电池小，因此“机智号”每次只能飞行90秒。

为什么不给“机智号”配备更大的锂电池呢？这是因为电池太大太重，“机智号”可能就飞不起来。“机智号”另外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90秒，却需要一个火星日（24.62小时）的时间来充电。

“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，难以观察火星表面的细节;而火星车视野有限，对地形的要求较高，很容易被坡坡坎坎、悬崖峭壁和石块碎砾等阻断去路。

如果火星上曾经演化出生命，在表面环境变得恶劣之后，它们可能躲到地下洞穴中。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显然都不太适合深入洞穴。

无人机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，還可以飞入火星洞穴、峡谷和陨石坑中。比如，“机智号”携带有小型航空电子设备、通信设备和成像设备，这样它可以按照地面科学家的指令飞到火星车难以抵达的区域。

“机智号”其实是一架示范性火星无人机，也就是说，它的主要用途不是科学考察，而是测试在火星上的飞行效果。科学家会根据其飞行结果和相关数据，对火星无人机的后续设计进行改进，以便更有效地完成更多的科学考察任务。

“机智号”研制团队的首席科学家哈瓦德-格里普说：“莱特兄弟证明在地球大气中的动力飞行是可行的，而我们将证明，飞行器在火星大气环境中也能飞起来。”

“机智号”名字的由来

2020年4月，美国国家航空航天局宣布，将首架火星无人机命名为“机智号”。这个名字来自美国亚拉巴马州诺斯波特的高中生瓦妮扎·鲁帕尼的提议。

美国国家航空航天局此前曾经为2020年发射的火星车举行命名比赛，全美共有2.8万名中小学生投稿。当年3月，航天局宣布选中“毅力”一词作为火星车的名称。此后，航天局又从候选词条中选中“机智”一词作为火星无人机的名称。

为什么会提出“机智号”这个名字？提名者鲁帕尼说：“对于希望努力克服星际旅行挑战的人来说，聪明才智让我们所有人都能体验到太空探索的奇观，聪明才智让人们完成令人惊叹的事情。”