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人类首次!直升机在火星成功首飞 30秒惊险悬停(组图)

新闻来源: 澎湃新闻/新智元 于2021-04-19 15:07:06  提示:新闻观点不代表本网立场

 中国航天报微信公号4月19日消息,北京时间19日15点30分,美国毅力号火星车携带的机智号直升机成功在火星表面起飞,直升机在距火星表面3米的高度上完成了30秒悬停,随后按照降落程序安全着陆,由此成为人类历史上首架在另一个星球起飞的直升机,开创了无人机的行星探索新时代。那么,火星直升机与地球上使用的直升机相比,有哪些特殊之处呢?




  毅力号火星车摄像头拍摄机智号直升机起飞




  毅力号火星车摄像头拍摄机智号直升机起飞(00:13)

  补齐行星探测重要一环

  目前,人类对行星的探测手段主要有环绕探测、原位探测和巡视探测三种。



  美国宇航局工作人员庆祝机智号直升机起飞成功(00:55)

  环绕探测是通过环绕在月球、火星等轨道上的航天器,利用遥感探测的手段来完成,通俗地讲,就是给行星拍照来研究该行星的情况。由于航天器距离被探测行星较远,受像素影响,很难得到丰富的数据。

  原位探测则是利用着陆在行星表面的航天器,对着陆位置及周围的岩石、大气或生物信息开展研究。



  毅力号火星车释放保护机智号直升机的罩盖



  毅力号火星车释放机智号直升机过程



  毅力号火星车释放机智号直升机过程

  巡视探测是指利用可以在行星表面移动的航天器进行探测,它的探测范围比原位探测有所扩展,得到的数据更全面。不管是原位探测还是巡视探测,都可以理解为是对行星的贴近观测。如果用拍照来比喻就是给行星特写,虽然探测细节很丰富,但视野较窄。

  如果从高度上来定义,环绕探测属于高位探测,原位探测和巡视探测属于低位探测,而利用飞行器在距离行星表面一定高度内的巡航探测,则可认为是中位探测。

  此次美国宇航局研制的机智号直升机在火星上实现首飞,填补了行星中位探测的空白,对火星探测以及对整个行星探测都有着重大意义,意味着补齐了人类行星探测高度的重要一环。

  为低位探测充当开路先锋

  相较于高位探测和低位探测,行星中位探测有着独特优势。中位探测在连续探测时间、探测范围和探测精度这三个因素间,能够达到更好的平衡。



  毅力号火星车与机智号直升机

  在火星大气层内,由于飞行器的飞行高度较低,只需搭载重量不大的探测载荷就能实现精度较高的“遥感”。同时,飞行器在空中的移动速度比地面巡视器更快,能在短时间内完成对一片区域的全面探测,并可以重访有重要现象发生的地方。

  此外,飞行器探测受地形影响较少,能够到达地面巡视器所无法到达的区域,因此,探测任务可以更灵活。

  飞行器还可以充当“侦察兵”角色,对火星地面巡视器前方的地形地貌和可能发生的现象进行先行探测,为科研人员决定地面巡视器下一步该朝哪个方向移动提供关键数据。



  飞行器可以充当“侦察兵”角色

  从人类航天发展的历程来看,行星探测最先是进行环绕探测,即高位探测,然后通过分析相关遥感数据,据此从行星表面选择合适的着陆区域让航天器进行着陆,然后再开展原位探测和巡视探测,即低位探测。

  至于中位探测迟迟未开展,是由于让飞行器在非地球的行星上飞行极其困难。以火星为例,在无人机技术成熟前,在地球大气层内巡航的飞行器都是有人驾驶,因此在相当长的一段时间里,利用飞行器探测火星的想法只好束之高阁。

  近年来,随着无人机技术的快速发展,使得在火星大气层内进行巡航探测成为了可能。

  需要克服火星稀薄大气

  美国机智号火星直升机于2013年开始研制,重量为1.8公斤,耗资8500万美元。



  停放在火星表面的机智号直升机

  在无人机选型上,美国科研人员选择了直升机而不是固定翼飞机,主要是考虑到火星表面没有机场跑道供固定翼飞机起降。此外,直升机可以实现空中悬停,大大方便了对火星表面的探测。

  研制火星直升机并不是一件容易的事情,火星的大气密度只有地球大气密度的1/100,因此,直升机必须拥有更强劲的升力装置才能克服火星稀薄大气的限制。

  直升机之所以能够起飞,是借助它的旋翼在一定密度大气中产生的升力。如果空气的密度过低,要么提升直升机旋翼的转速,要么加大旋翼面积,再或者就是减小飞机自身重量,否则直升机将难以飞起来。

  要想让直升机在火星表面飞起来,旋翼转速至少要达到2400转/分钟,才可以提供足够的升力让直升机在空中飞行。

  例如,美国为让机智号直升机在火星的空气环境中飞行,科研人员为其设计了超轻的紧凑型部件,并安装上了能产生足够升力的转子。据悉,机智号直升机旋翼叶片的转速是传统直升机的5倍。 



  停放在火星表面的机智号直升机

  另外,火星直升机面对的挑战不仅包括火星上稀薄的大气,还必须要将系统质量做到非常小,才不至于超越直升机的升力承载极限,这就对直升机的材料和动力系统提出了更苛刻的要求。

  此外,火星直升机必须能够自主飞行并维持稳定状态,并且系统必须能够在天然粗糙的岩石地表反复起降,这对直升机的飞控系统是一个严峻考验。同时,火星直升机必须能够适应火星上包括剧烈的沙暴和气旋等在内的极端环境条件。

  火星直升机的出现是行星探测领域的重要契机,有航天专家表示,飞行器在“另一个星球”飞行是可以和莱特兄弟于1903年在地球上驾驶飞机,实现人类首次飞行相提并论的“历史性”事件。



  莱特兄弟发明的飞机飞行成功

  此次机智号直升机在火星表面飞行成功,对人类探测行星的能力起到了很大帮助,相关技术的研制将对飞行器设计、材料、动力、自动驾驶、中继通信领域产生巨大的牵引和推动作用。

  未来,行星无人固定翼飞行器、有人驾驶飞行器都可能会以此为基础得到蓬勃发展。

  (原题为《人类首次,直升机在火星成功起飞》)

相关报道:刚刚,机智号火星首飞成功!30秒惊险悬停,创造「莱特星球时刻」


机智号首飞成功! 旋转、起飞、攀升、悬停、下降、着陆、自旋! 整个飞行过程,持续了39.1秒。  这是人造航空器首次在另一个行星上受控飞行,犹如毅力号火星车的「眼睛」,在稀薄的火星大气层中「眨了眨」。 

透过视频来感受这一激动人心的时刻:

机智号何以实现地外起飞?

 被「鸽」了两次以后,数十万人终于通过毅力号的「眼睛」看到了机智号在火星上的首次飞行。 机智号上升到3米后盘旋了约30秒后降落,包括上升和下降的过程,整体持续39.1秒。

值得注意的是,由于数据必须通过轨道卫星和NASA的Deep Space Network往返于地球和火星之间,机智号并不能通过操纵杆控制,飞行也不能从地球上实时观测到。 

机智号的导航相机拍到的自己投在火星表面的影子!

 在这颗红色星球上起飞无人并不是一件简单的事,火星表面的平均气压为0.6千帕,相比之下地球气压为101.3千帕,也就是说火星大气压力不到地球的百分之一。

稀薄的空气使得旋翼飞行器上的叶片只能通过旋转获得很小的上升力,尽管火星表面重力大约只有地球表面的1/3,但机智号仍然需要尽可能减轻自己的「体重」,机智号极为轻巧,重量仅1.8千克,高0.5米,驱动电机的峰值功率可达到350瓦。

 为了让机智号能够在火星上飞行,它还必须足够坚固,能够承受高转速对机体结构的考验。为此,机智号的旋翼、支脚都使用「碳纤维」构成。 

 机智号还拥有「快得不真实」的叶片转速。地球上的直升机主旋翼转速一般为每分钟300转左右,一些小型机或超轻无人机则拥有每分钟近千转的转速,而机智号为每分钟2500转。 火星「莱特兄弟时刻」,现在就是了!

 尽管在火星飞行困难重重,NASA还是挤出一点空间,在机智号上放了取自莱特兄弟「飞行者一号」机翼上的一块布料,大小跟邮票差不多,绑在机智号太阳能板下面的电缆上。



NASA也将此次成功的受控飞行称为「莱特兄弟时刻」,将成为人类探索宇宙的「新利器」。 1903年12月17日,莱特兄弟驾驶自行研制的飞机「飞行者一号」成功的在空气中进行稳定的飞行。



 莱特兄弟虽然不是进行航空器飞行试验的第一人,但他们首创了让固定翼飞机能受控飞行的飞行控制系统,此项技术至今仍被应用在所有的固定翼航空器身上。 机智号总工程师Bob Balaram表示,莱特兄弟引入了空中移动性,开创了地球旅行的新维度,我们也希望机智号能开创火星的空中移动新维度。

此外,机智号还获赠国际民航组织(ICAO)的官方代号IGY,呼号为INGENUITY!

 



机智号总工程师Bob Balaram

机智号的主要目的是进行技术验证,验证人类采用飞行探测地外星球的全新技术。 NASA已经批准了对土星大卫星「土卫六」的飞机探索任务。「蜻蜓」飞行器将于2026年发射,2030年代中期到达土卫六。NASA的科学家认为土卫六上存在可能孕育生命的液态水、有机物和光照能量,其中火山口附近区域的宜居条件最好,最可能存在生命。 在「黑暗森林」,我们是猎人还是猎物,出去看看就知道了!正如NASA JPL办公室墙上的这句话:Dare Mighty Things!(挑战非凡!) 

首飞成功后,「机智号」项目经理MiMi Aung立刻撕掉了为首飞失败而准备的演讲稿,她说:每个星球只有一次首飞!我们一直讨论的火星「莱特星球时刻」,现在就是了! 毅力号「大副」历经波折终起飞

 2个月前,「毅力号」火星车不经变轨直接坠入火星大气层,随后,它向地球传回一张火星表面照片,确认着陆成功,开启人类探索火星新阶段! 

 作为毅力号的「大副」,机智号随同前往,成为「第一架」前往其他星球飞行的直升机。 

 

机智号携带了两个摄像头,依靠太阳能充电,每个火星日飞行约90秒。 机智号的主要目的并不是收集数据,除了一个黑白导航摄像头和一个1300万像素的彩色成像仪之外,它没有配备任何其他设备, 通过分析导航相机拍摄的照片,机智号就能实时获取飞行中的方位,也为「毅力号」提供精准的火星地图。 

 

此前,NASA对机智号进行了多次预飞行检测,都很成功,但最后一次出了问题。 4月9日,在对机智号的双螺旋浆进行高速旋转测试时,本应该达到2500转的旋转速度,但由于「看门狗计时器」出了问题,使得机智号没有按要求转换到「飞行模式」。 因此首飞一再推迟,知道17日,机智号项目组宣布对从地球发给机智号的「命令序列」进行了调整,并确定了19日为首飞日。 项目组透露,除了看门狗计时器的问题之外,直升机一切正常,对命令序列的调整也是最为直接,破坏性最小的,也不用改变其他相关配置。 首飞成功也证明了序列调整行之有效。 首飞只是开始

 机智号团队一直将自己比作探索火星的「莱特兄弟」。 

 

对机智号的飞行安排也和莱特兄弟当年的试飞计划如出一撤:一次比一次飞得更高。 接下来一个月里,机智号将进行多达4次的飞行。 而第二次、第三次飞行,机智号将挑战更高的飞行高度——5米,沿着实验航向进行高达50米的移动。 如果这三次飞行都能成功,那么机智号将开始它真正的「火星探险之旅」。 飞行任务中,毅力号无疑将成为机智号与地球之间链接的纽带,但时间不能超过一个月,毕竟毅力号也有自己的任务——穿越45千米宽的杰泽罗(Jezero)陨石坑搜寻火星远古生命,还要采集十几分样本。 

 

这些样本最早将于2031年被送回地球,届时科学家将对这些火星原始物质进行更为详尽的分析。

机智号首飞成功标志着人类太空探索从此进入了「巡视车+直升机」的全新立体化模式,这可以说是人类历史的一个里程碑。期待接下来机智号传回更多地外精彩!
网编:和评

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热门评论当前热评  更多评论...
评论人:xin5k [♂★德国在职★♂][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:32:27 回复
很好
美国继续跟中国保持竞争
航天也是 基建也是 研发和军事也是
千万别掉队
14  18
评论人:pipitoo [☆品衔R4☆][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:34:03 回复
这么破一个无人飞机还好意思拿出来,咱门大疆无人机分分钟碾压
7  48
评论人:FDRC [☆品衔R4☆][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:35:48 回复
这样中国设计火星无人机就要容易些。有成功的前例。
21  2
评论人:千風飛揚 [☆品衔R3☆][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:37:06 回复
你大爺還是你大爺⋯
17  3
评论人:Nelsonman [☆品衔R4☆][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 16:00:06 回复
台巴子又嗨翻了,好像覺得他們參與設置一樣 ,直升機能不能起飛跟你們臺巴子和香港廢青半毛子關係都沒有,真不要臉。
10  6
评论人:qeeee [★★声望品衔9★★][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:29:26 回复
应该把楼下群狗粮也p进去,让狗粮们再阿Q一把。
10  6
评论人:XXyourOO [★我爱金与正!★][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:21:44 回复
个人大胆预言,国内五毛很快就会有声音出来:美国在火星上部署的直升机,其幕后英雄是中国人!
29  22
评论人:Phillip [☆品衔R3☆][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:21:07 回复
 回复4楼:
瞎说,你见过有幽默感的5毛?小5子总是一脸的愤怒,只会骂大街,从没见过有啥幽默感。
10  8
评论人:只爱大屁股小妹 [☆品衔R4☆][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:19:47 回复
五毛说这都是假的 想误导中国进行火星竞赛

来自留园官方客户端

22  13
评论人:Holycow [☆品衔R4☆][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:15:31 回复
有没有五毛看出来这是摄影棚拍的?
31  17
评论人:Phillip [☆品衔R3☆][个人频道][个人动态] 发送时间: 2021年04月19日 15:08:47 回复
你要不说是直升机,我还以为是火星蚊子呢。
21  17
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