空气密度29：影响飞机性能与气象变化的关键因素

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张倩、泽南

「火星无人机」：
NASA这次发射的，堪称历史上最令人瞩目的探测计划。

最近几天，多艘针对火星的探测器纷纷启程。

7 月 30 日，美国宇航局（NASA）成功发射 MARS 2020 任务，搭载「宇宙神 5」型运载火箭，将最新一代火星探测器「毅力号」（Perseverance）送上轨道。

「毅力号」是迄今为止人类设计制造的最大、最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。它是继阿联酋希望号、中国天问一号之后，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，并将其封装后埋藏到指定位置，等待 NASA 回收取回地球。「毅力号」的主要使命还包括寻找古代外星生命的迹象，并首次使用麦克风捕捉火星的声音。

在此之外，「毅力号」携带最令人感兴趣的装置就是：人类在红色星球上放飞的第一架外星无人机——「机智号」（Ingenuity）。

按照计划，「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」配备了一个自动驾驶系统，可以避开巨大的岩石，把自己引导到安全的位置。

在火星上，「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，一条河从这个位置注入 45 公里宽的陨石坑，选择这里当然是为了寻找火星古代存在生命的证据。

「机智号」：火星车的侦察兵

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，已有数个美国制造的「火星车」登陆火星，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。人们最为熟知的「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。

NASA 的研究人员就想出了一个办法来扩展火星车的视野——借由无人机来实现。

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这架重量仅为 1.8 公斤的无人机安装在探测器的腹部，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，」「机智号」项目负责人、喷气推进实验室负责人 MiMi Aung 表示。

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NASA 黑科技：仅需地球大气 1% 即可起飞

为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，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，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，比地球上还要慢三分之一。

「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。

无人机的最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，不知道里面承载了多少黑科技。

无人机造出来只是成功了一半，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，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。

在最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，最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，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