人類首次在火星上起飛直升機，為何只能飛5米高？

出品：科普中國

製作：川陀太空

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

火星作為太陽系中與地球最為相似的行星，一直吸引著各國航天科學家們的目光。今年，又一個火星探測窗口期到來，在阿聯酋的希望號與中國的天問一號相繼發射升空之後，美國宇航局（NASA）也於7月30日，在卡納維拉爾角空軍基地SCL-41工位發射了堅毅號火星車(Perseverance Rover)，這也是他們發射的第二輛核動力火星車。

美國宇航局擁有悠久的火星探測歷史，而此次發射的堅毅號火星車比它的前輩們多了一個引人注目的裝備——一架名叫靈巧號（Ingenuity）的直升機，而這也將是人類第一次在火星上起飛直升機。下面，我們就帶大家來了解一下堅毅號和它搭載的直升機，以及它們將在火星上開展的工作。

△堅毅號火星車折疊起來的樣子，圖片來源：NASA

堅毅號和它繁重的火星探測任務

堅毅號火星車的本次發射使用了阿特拉斯V 541火箭，作為一個兩級火箭，阿特拉斯V 541火箭已經承載了11次火星任務的發射，包括2005年火星勘測軌道飛行器、2011年與2013年的火星探測器以及洞察號的發射等，堪稱火星任務的得力助手。

在阿特拉斯V 541發射升空後50至60分鐘後，堅毅號與上面級分離，直接進入地火轉移軌道。預計在明年2月18日在火星表面著落，著陸區為傑澤羅（Jezero）撞擊坑，這裡在數十億年前曾經是一個三角洲，寬度為45公里，與長三角有些類似，是一種衝擊盆地，在它的周圍還有陡峭的懸崖。

△從維京1號軌道飛行器看到的Jezero隕石坑（右下）（圖片來源：維基百科）

堅毅號火星車大約會花費213天前往火星，航程為4.97億公里，在巡航階段，火星車和降落隔熱裝置會形成一個整體。從航程上看，堅毅號的路程偏遠了一些，這是因為航天器上還有一些地方沒有徹底滅菌，如果堅毅號火星車的軌道直指火星，卻不幸出現故障墜毀在火星上，可能汙染火星表面。因此堅毅號專門搭載了機動發射巡航級推進器，來及時改變自己的軌道。

堅毅號將採用天空起重機技術降落火星，這與它的前輩——好奇號是一樣的。整個降落過程大約為7分鐘，堅毅號的速度將從每小時1.95萬公里降至零。下降過程中，前端隔熱屏的溫度可達到1300攝氏度。

與好奇號不同的是，美國宇航局設計了一種更先進的測距觸發裝置來控制堅毅號著陸器的降落傘打開時間，這個裝置能讓堅毅號在距離火星表面9至13公里高度時打開降落傘，這時的速度為每秒420米。當速度降低到每秒0.75米時，隔熱保護裝置的降落傘會被拋棄，同時啟動8台可節流的噴射反推發動機。8台反推發動機啟動之後，距離地面的高度會降低到20米，此時天空起重機將伸出纜繩，將堅毅號送到火星表面。

△堅毅號火星車搭載的儀器示意圖，圖片來源：NASA

好奇號車長為3米左右，重量為1.025噸，堅毅號比好奇號增加了126公斤。主要任務是對火星遠古時期的宜居性進行評估、尋找火星上的微生物痕跡、收集傑澤羅（Jezero）撞擊坑的岩層樣本。為此，堅毅號配備了長達2米的機械臂，可抓取30公斤的岩石，機械臂頂端有相機、分析儀、鑿岩機等，可對鑽取的岩層物質進行切割，並且放置在樣品管中。因此不難判斷，堅毅號這次前往火星的任務將非常繁重，而如果這些任務能成功地進行，將為NASA的下一個火星任務打下堅實的基礎。

首次搭載的火星直升機

堅毅號火星車上最引人注目的載荷是一架火星直升機——靈巧號，這架直升機重量僅有1.8公斤，非常小，造價卻高達8000萬美元。不過它本身值得起這個身價，因為它是人類第一次在火星上部署的直升機，也是第一個地外天體航空器。

△堅毅號火星車與直升機合照，圖片來源：NASA

麻雀雖小五髒俱全，別看這架火星直升機小，它身上的設備可是非常齊全。從整體來看，直升機包括了雙旋翼轉子系統、太陽能電池板、起落架、還有機身組件等結構。直升機的轉子使用了4葉碳纖維葉片製成，直徑為1.2米的共軸反轉旋翼，轉速可達每分鐘約2400轉。飛行時，機載的無線電系統可以讓它在1公里內與火星車保持通信，同時直升機上還裝有導航傳感器，用來找火星車，以及彩色和黑白的兩個攝影頭。

靈巧號的表面結構經過火星大氣壓力測試，能夠在火星零下上百度的環境中完好無損，同時還內置了加熱裝置，可確保儀器時刻處於工作溫度。在沒有飛行的時候，靈巧號可停靠在火星車上。由於火星距離地球有4億多公里，無法通過操縱杆直接操控直升機，靈巧號的起飛、降落需要自主進行，因此NASA還對直升機的算法進行了優化，提高了它的生存能力。

△正在測試中的火星直升機，圖片來源：NASA

獨創性的火星直升機雖然可以自主起飛，但是飛行時間有限，每次飛行時間要被控制在90秒之內，最大上升高度為5米，最遠飛行距離為50米，無法飛得更遠更高。同時，飛行次數也受限制，大約可以飛行6次，但對於首次登上火星的直升機來說，能有這樣表現就已經足夠出色了。

靈巧號的首次試飛將從2021年春季開始，也就是在堅毅號降落火星之後的2個半月之後。它的任務目標是首次進行火星大氣中的飛行演示，由於火星大氣稀薄，密度僅為地球的1%，且引力也只有地球的三分之一，因此在火星大氣中飛行要產生升力很難，飛到5米高的地方就已經相當於在地球上的3萬米高空飛行。

△火星直升機被折疊放入火星車腹部，圖片來源：NASA

NASA對這次演示性飛行並沒有提出科學探測的要求，只是希望這次積累的技術能夠在未來的火星任務中得到應用。比如研製能夠在火星大氣中長時間飛行的航空器，以扮演機器人偵察機的角色，對前方地形進行勘測，避免火星車，以及未來可能登陸火星的宇航員陷入糟糕的地形中。

1996年美國就已經發射了第一輛火星車，這輛被命名為探路者號的火星車在1997年抵達火星，當時火星車上也隻搭載了3種儀器，科學調查能力有限。相比之下，2003年發射的機遇號和勇氣號則取得了更大的成就——它們共同發現了火星曾經有液態水流過的證據，證明火星在數十億年前曾經有過海洋。

此後的好奇號火星車的主要任務就變成了調查火星微生物，雖然它在蓋爾撞擊坑的調查表明火星上可能沒有甲烷的生物釋放源，但是好奇號也發現了火星岩土中存在1.5%至3%的水分，這也說明火星是可以支持人類殖民生存的。而堅毅號將繼承前輩們的衣缽，使用更先進的設備，在一個更有可能存在微生物的地區，來尋找火星上存在微生物的證據。希望這些火星探測任務都能有所收獲，也相信在幾代人的不斷地努力下，人類終有一天，能實現移民火星的夢想。