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NASA的“火星直升机”如何到达火星表面?

http://finance.sina.com   2020年07月29日 00:04   北京新浪网

拍摄于2019年4月,一名工程师正在丹佛洛克希德·马丁航天公司对火星直升机运送系统进行测试。拍摄于2019年4月,一名工程师正在丹佛洛克希德·马丁航天公司对火星直升机运送系统进行测试。

  美国国家航空航天局(NASA)的毅力号火星车将于7月30号发射,一台名为“独创号”(Ingenuity)的无人机也将随毅力号前往火星。这是一架“火星直升机”,将证明在另一个星球上进行动力控制飞行是可能的。不过,仅仅将它带到火星表面就需要克服很大的挑战。

  “独创号”火星直升机将与“毅力号”火星车一起穿越5.05亿公里的行星际空间,抵达火星。对于在地球上进行第一次实验性飞行测试的团队来说,最具挑战性的是设计最后一段13厘米的旅程。这短短的距离,就是独创号从毅力号内部存放位置到火星表面的距离。于是,他们发明了“火星直升机运送系统”(Mars Helicopter Delivery System)。

  “独创号不同于以往任何一种直升机,因为在火星上进行动力控制飞行不同于以往任何尝试,”NASA喷气动力实验室的火星直升机项目主管密密昂说,“然后,我们必须弄清楚如何搭上‘顺风车’,并从毅力号火星车安全部署到火星表面。”

美国国家航空航天局的独创号火星直升机飞行模型美国国家航空航天局的独创号火星直升机飞行模型

  独创号具有方形的机身,内部装有电脑、相机、电池等,其大小与垒球相当(20×16×14厘米)。在机身的外部,你会发现其他许多重要的部件,包括天线、太阳能电池板、着陆支架和两个1.2米长的旋翼。这些部件使得装载和部署直升机成为不小的挑战。整个机器包装起来的重量约为2千克。

  “在火星车任务中,即使是增加一个新的垫片,通常也要讨论一番,”喷气动力实验室“火星2020”任务的直升机接口负责人克里斯·萨尔沃说,“独创号火星直升机是一个庞大、脆弱且独特的硬件组合,与NASA以往在行星任务中搭载的任何设备都不一样。”

  为了加装这一非同寻常的设备,任务工程师们考虑了火星车底盘上每一个可用的位置,包括机械臂。最终,他们选择了毅力号的“腹部”。当毅力号降落在相对平坦的火星表面上,其腹面应该有67厘米的离地距离。这看起来似乎是很大的空间(一辆普通的SUV能提供的空间大约只有该距离的三分之一),但运送系统可以将距离缩短约6厘米。独创号的高度大约为49厘米,因此直升机团队要考虑的就是剩下的13厘米。

  “这并没有太多的空间,”萨尔沃说,“但我们发现,如果水平安装直升机,就足够完成任务了。”

  部署工作如何完成?

  毅力号将在2021年2月18日登陆火星,约两个月后,独创号才会部署到火星表面。在火星表面探索的初期,火星车和直升机团队将寻找潜在的机场,即一块10米见方、相对平坦的区域。该区域内不能有障碍物,而且当毅力号停在一块足球场的距离以外时,可以看到直升机的飞行。

  在执行任务的第60天左右,毅力号将卸下火星直升机运送系统的石墨复合碎屑保护罩,保护直升机在着陆时的安全。然后,毅力号将驶入预定的机场中心。大约6天后,当直升机和火星车团队对一切都满意后,他们将命令火星直升机运送系统开始工作。

  部署过程从释放一个锁紧装置开始,这将保持直升机固定在适当位置。然后,一个切断电缆的烟火装置点火,使一支装有弹簧的机械臂旋转着将直升机推出水平位置。在这个过程中,一个小型电动机会拉住机械臂,直到它固定住,从而使直升机的两根弹簧支撑的着陆支架完全垂直于机身。另一个烟火装置点燃,放出另外两根支架。

2020年4月6日,在肯尼迪航天中心,火星直升机被固定在毅力号火星车的腹部。在毅力号着陆大约两个半月后,这架直升机将被部署到火星表面。2020年4月6日,在肯尼迪航天中心,火星直升机被固定在毅力号火星车的腹部。在毅力号着陆大约两个半月后,这架直升机将被部署到火星表面。

  “一直以来,部署系统都要维护火星车和直升机之间的电力和数据线连接,直到它准备好降落,”建造该系统的洛克希德·马丁航天公司的部署系统经理大卫·比彻说,“虽然我一直致力于天基部署系统的研发,但这次是在另一个层面上。”

  如果一切顺利,任务控制人员将指挥运送系统放开独创号,由后者完成最后13厘米。一旦直升机成功落到地面,毅力号就将被命令离开,这样直升机就可以开始用太阳能电池板给电池充电了。此时,独创号的30太阳日飞行测试程序开始。

  独创号火星直升机是对新技术的一次实验性飞行测试。未来的火星任务可能会使用第二代直升机,为进一步探索增加空中维度。它们可以充当宇航员的侦察员,携带少量有效载荷,或者探索悬崖、洞穴、深坑和其他无人造访或难以到达的目的地。但在这一切发生之前,测试实验必须证明其可行性。

  当然,在测试飞行器能够做到这些之前,它必须在火星表面安全着陆。“独创号需要毅力号,” 密密昂说,“火星直升机运送系统是一个独创性的小发明,而且只是‘火星2020’任务如何达到更高要求以适应测试项目的例子之一。对于火星车和直升机,他们必须将专门用于操作直升机的电子基站和天线完全整合到火星车中。我们的团队必须紧密合作,使这个复杂的系统工作。当独创号飞起来的时候,将是一项我们共享的成就。”

  “火星2020”任务

  喷气动力实验室位于加州帕萨迪纳市,属于加州理工学院,该实验室为NASA建造并管理了独创号直升机。洛克希德·马丁太空公司提供了火星直升机运送系统。NASA的发射服务项目则设在肯尼迪航天中心,负责发射管理。

  毅力号是一台承担着重要科学任务的火星车,重量约为1025千克。它的天体生物学任务将是寻找火星历史上微生物生命的迹象。它还将描绘火星的气候和地质特征,采集未来将被带回地球的样品,并为人类探索这颗红色星球铺平道路。在7月30日,毅力号将发射升空,并将于2021年2月18日降落在火星的杰泽罗陨石坑。

  “火星2020”毅力号火星车任务是一项更大计划的一部分,该计划还包括为人类探索火星做准备的探月任务。NASA正在进行一项名为“阿尔忒弥斯计划”(Artemis program)的太空探索计划,希望在2024年让宇航员重返月球,并在2028年之前在月球表面和月球周围建立持久的人类存在。(任天)

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