机智号火星直升机技术

6月11日，有消息称，“机智”号火星直升机之前已经完成了28次飞行，远超原计划。随着火星冬季的临近，“机智”号火星直升机的电池容量不断减少。现在任务组最关心的是直升机能否熬过火星四个月的冬天。

美国国家航空航天局空 (NASA)原本打算让火星直升机Wit完成5次飞行。然而，自2021年4月在火星表面首次飞行以来，Wit已经飞行了28次，正在为第29次做准备。根据火星表面的浮尘和“坚韧”号火星车的运行计划，飞行原定于本周末。但现在，“机智”直升机面临的新挑战是，它能在火星漫长的冬天里生存下来。目前还不清楚这种直升机能否在火星上度过漫长的冬天。

目前，“机智”直升机位于火星北半球，将于今年7月迎来火星的冬天。由于火星上的一年相当于地球上的两年左右，这也是“机智”将经历的第一个火星冬天(去年7月并不是火星冬天)。随着火星冬至的临近，白天变短，夜晚变长，沙尘暴也可能使安装在直升机双旋翼上方的太阳能电池板收集的阳光减少。最近，太阳能电池板上厚厚的灰尘导致了美国宇航局火星探测任务的结束，严寒对电子设备的影响是机遇号和勇气号火星探测任务结束的原因之一。

“我们相信它能生存下来，”美国宇航局“机智火星直升机”项目主任戴夫·拉威利说，但“每多一天都是一份礼物。”喷气推进实验室(JPL)“Wit”团队的负责人泰迪·察内托斯(Teddy Tzanetos)近日表示:“每个火星日都可能是Wit的最后一天。”

上个月，由于电池性能退化，大部分电力用于加热设备，“机智”号与地球短暂失去联系。两天后，NASA再次与Wit取得联系。但由于直升机电池电量低于70%，气温持续下降，为了保证长达4个月的冬季供电，Wit直升机暂停了夜间机载加热器的使用。加热器通常在温度低于零下20摄氏度时启动。在上个月的电池电力不足和通信中断后，“机智”团队将加热器启动的外部温度降至零下40摄氏度。但火星冬季夜间温度可降至零下80摄氏度，增加了直升机内部电子设备受损的可能性。

周一，美国宇航局宣布传感器故障，推迟了智慧号的第29次飞行。这使得任务团队不得不上传软件补丁，并依靠另一个传感器来管理“机智”的导航算法。

火星上的沙尘暴也是一个未知因素。今年5月，美国休斯顿大学的一个团队研究了美国宇航局传感器在火星上探测到的四年数据。它表明，太阳照射的不平衡和火星南半球的变暖增加了大规模沙尘暴的可能性，沙尘暴甚至可以覆盖整个火星。休斯顿大学副教授莉莉·李明(Lily li Ming)表示，春季和夏季是火星的风暴季节，但随着北半球接近冬至，发生严重风暴的可能性降低。但需要注意的是，这项研究针对的是整个火星，没有考虑任何特定区域，杰罗姆陨石坑的条件也可能与火星表面其他地方不同。

当被问及是否会有更多的沙尘暴时，李立明说，“很难说。”“在我们实际探测杰罗姆陨石坑之前，很难给出一个明确的答案。”

由于“机智”直升机停止了正常的飞行活动，任务小组将重点传输最近8次飞行中拍摄的飞行性能日志和高清图像等数据，并升级直升机的软件。根据火星气候模型，美国宇航局预计收集的太阳能数量将在今年秋天回升，使直升机恢复正常活动。到9月或10月，如果“机智”号能够重新获得夜间加热系统的能力，它就可以恢复正常飞行，为“坚忍”号火星车找到一个可以存放岩石和土壤样本的地方，并探索罗杰陨石坑的一个河流三角洲。

由于无线电信号从地球到达火星需要5到20分钟，所以Wit必须使用全自动飞行控制系统，并且没有普通直升机和美国宇航局一些航天器使用的激光雷达等传感器。但是向下的照相机可以帮助机智确定它的位置、速度和高度。

任务团队可以在冬季停机期间升级系统。拉威利说:“如果‘Wit’能够在火星冬季过后的今年晚些时候继续运行，该团队目前正在考虑对几个飞行系统进行升级，以增加系统的鲁棒性，并提高直升机的导航能力。”

拉威利表示，美国宇航局将在已知区域测试自动对冲系统。“机智”的前几次飞行条件相对稳定，但随着直升机将在可能有更多障碍物的区域降落，自动回避系统的作用越来越大。拉威利说，这些系统最初是与“机智”号的飞行控制系统一起开发的，但在2020年升级到空时没有安装。

上个月，开发“机智”号飞行控制系统的研究人员公布了自动回避系统的进展，该系统可以在紧急情况下预测未知区域的最佳降落地点。这个紧急着陆系统将在未来的美国宇航局任务中发挥作用，例如2027年将四轴飞行器送往土卫六的“蜻蜓”任务。

像“机智”一样，将于2035年抵达土卫六的“蜻蜓”没有机会独自飞到距离地球数百万公里的地方。但是“机智”号乘坐“坚忍”号火星车抵达火星。相比之下，核动力“蜻蜓”在抵达土卫六一个多小时后就没有机会起飞，扔掉了一半的降落伞和着陆壳空，开始了为期两年的寻找生命的任务。

研究人员通过“Wit”获得的经验也可能对未来的火星任务有所帮助。美国宇航局艾姆斯研究中心和喷气推进实验室在“机智”号抵达火星两年前就开始了第二代直升机的研究。拉威利的“机智”被比作第一个登陆火星的漫游者“旅居者”。漫游车“旅居者”于1997年登陆火星。从那时起，几乎每次火星表面探测任务都携带了一辆漫游车。拉威利说，“我们希望‘机智’号能发挥类似的作用，让直升机成为任务的标准组成部分。”

美国宇航局的ROAMX项目正在为下一代直升机设计改进，例如改进旋翼叶片，减少阻力，并能够携带重约1公斤的科学有效载荷飞行约6公里。去年，美国宇航局首席研究员海莉·康明斯在一份关于未来飞往火星的报告中表示，ROAMX项目对旋翼桨叶的改进将用于火星科学直升机，这是一种30千克的六旋翼直升机，可以在不丢失旋翼的情况下继续飞行。

火星试验飞行器的研制已经进行了20多年。有形状像灯罩的直升机，成群的小型无人机，由气象气球发射的滑翔机，以及可以在不同飞行模式之间切换的倾转旋翼飞机。未来，火星直升机可能被用于探索火星车无法到达的地区，并最终为宇航员运输工具和材料。

埃姆斯研究中心的科学家还构想了一个自动化机库，以保护飞机免受严寒和灰尘的影响，并将设计寿命延长几年。如果火星直升机运行时间更长，多个设备可以组成机器网络，完成探索熔岩管道、火山或冰盖等任务。

拉威利认为，“机智”号最重要的任务是在2021年4月的首飞中完成的。39秒的飞行证明了人类可以在另一个星球上有力地飞行。“从那时起的每一次飞行，以及我们从每一次连续飞行中收集的所有数据，将有助于人类进一步提高他们的知识，”拉威利说。

前四次飞行最多只飞了几十米，每次飞行不超过一分钟。“机智”的第五次飞行持续了108秒，飞行距离为129米。接着，“机智”号开始协助火星车探索火星地形，寻找可能的生命形式。应“不屈不挠”号火星车科学小组的请求，世界信息传输系统拍摄了罗杰陨石坑底部Forton Ridge岩石的高清照片，并飞越了Sédítah地区的一部分，提供了火星车无法进入的地区的图像和信息。“没有直升机，就不可能捕捉到这些信息，”拉威利说。

今年4月，“机智”号以每小时20公里的速度飞行，持续了两分钟多。它飞行了700多米，完成了在另一个星球上最长最快的动力飞行。当月晚些时候，“机智”号捕捉到了着陆平台降落伞和保护壳的照片，美国宇航局希望利用这些照片来确保未来航天器的安全着陆。

拉威利说，“机智”即将迎来它的第一个火星冬天，这是该团队从未想过的挑战，但现在他们证明了直升机在火星上飞行是可能的，这可能使直升机成为未来探索其他天体任务的组成部分。“我们还没有决定下一个目的地是哪里，”拉威利说。“但有一点我很有信心，那就是还会有下一次。”(陈晨)