NASA“机智号”火星直升机能不能撑过第一个火星冬天?

2022/6/11 9:07:25 来源:网易科技 作者:辰辰 责编:潇公子

6 月 11 日消息,“机智号”火星直升机此前已经完成 28 次飞行,远远超出原定计划。随着火星冬季临近,“机智号”火星直升机的电池电量不断降低,现在任务团队最关心的是直升机能否挺过长达 4 个月的火星冬季。

美国国家航空航天局(NASA)原本只打算让“机智号”火星直升机完成五次飞行。但自从 2021 年 4 月在火星表面进行首次飞行以来,“机智号”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状况和“毅力号”火星车运行计划,此次飞行原定在本周末进行。但现在“机智号”直升机面临的新挑战是其能够挺过漫长的火星冬季。目前还不清楚这架直升机能否挺过漫长的火星冬季。

目前“机智号”直升机位于火星北半球,将于今年 7 月份迎来火星冬季。由于火星上的一年大约相当于地球上的两年时间,这也是“机智号”将要经历的第一个火星冬天(去年 7 月并非火星冬天)。随着火星冬至日临近,白天越来越短,夜晚越来越长,沙尘暴也可能会让安装在直升机双旋翼上方的太阳能电池板收集到的阳光更少。最近,太阳能电池板上覆盖的厚厚灰尘就导致 NASA“洞察号”火星探测器任务结束,而严寒对电子设备的影响都是“机遇号”以及“勇气号”火星探测器任务结束的原因之一。

“我们相信它可以生存下去,”NASA“机智号火星直升机”项目主管戴夫・莱弗里(Dave Lavery,但“每多一天都是馈赠。”喷气推进实验室(JPL)“机智号”团队负责人泰迪・扎内托斯 (Teddy Tzanetos) 最近表示:“每个火星日都有可能是机智号的最后一天。”

上月,由于电池性能下降,大部分电量都用于加热设备,“机智号”与地球短暂失去联系。两天后,NASA 与“机智号”重新取得联系,但由于直升机电池电量低于 70%,且气温持续降低,为在长达 4 个月的冬季保证电力供应,“机智号”直升机在夜间暂停使用机载加热器。加热器通常在气温低于零下 20 摄氏度时启动。在上个月出现电池电量不足和通讯中断问题后,“机智号”团队将加热器启动的外界温度下调到零下 40 摄氏度。但火星冬季的夜间温度可降至零下 80 摄氏度,这增加了直升机内部电子设备受损的可能性。

本周一,NASA 宣布传感器故障,推迟“机智号”第 29 次飞行。这使得任务团队不得不上传软件补丁,依靠另一个传感器来管理“机智号”的导航算法。

火星上发生的沙尘暴也是一个未知因素。今年 5 月份,美国休斯顿大学一个团队研究 NASA 传感器在火星上探测到的四年数据显示,太阳照射不平衡和火星南半球变暖增加了发生大规模沙尘暴的可能性,这种沙尘暴甚至可以覆盖整个火星。休斯顿大学副教授李黎明说,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了。但需要注意的是这项研究针对的是整个火星,没有考虑任何特定地区,杰洛陨石坑内的条件也可能与火星地表其他地方不同。

当被问及是否还会有更多的沙尘暴时,李黎明表示:“这很难说。”“在我们真正检测杰洛陨石坑之前,很难给出一个明确答案。”

由于“机智号”直升机停止正常的飞行活动,任务团队主要精力将放在传输飞行性能日志和最近 8 次飞行拍摄的高清图像等数据,并对直升机进行软件升级。根据火星气候模型,NASA 预计今年秋季太阳能采集量会有所回升,允许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,就可以恢复正常飞行,为“毅力号”火星车寻找可以存放岩石和土壤样本的地方,并探索杰洛陨石坑内的一个河流三角洲。

由于从地球发出的无线电信号抵达火星需要 5 到 20 分钟的时间,“机智号”必须使用完全自动化的飞控系统,也没有普通直升机和一些 NASA 航天器所使用的激光雷达等传感器。但向下摄像头可以帮助“机智号”确定自身位置、速度和高度。

任务团队可以在冬季停机期间进行系统升级。莱弗里表示:“如果’机智号’撑过火星冬季后能够在今年晚些时候继续运行,团队目前正在考虑几项飞行系统升级,以增加系统健壮性并提高直升机的导航能力。”

莱弗里表示,NASA 将在已知区域测试自动避险系统。“机智号”的前几次飞行条件相对平稳,但随着直升机将在有更多可能障碍的地区着陆,自动避险系统的作用正在增加。莱弗里说,这些系统最初是与“机智号”的飞控系统一起开发的,但 2020 年升空时并没有安装。

上个月,开发“机智号”飞控系统的研究人员公布了自动避险系统的进展,其可以在紧急情况下预测未知地区的最佳降落地点。这种紧急着陆系统将在未来的 NASA 任务中发挥作用,比如于 2027 年将四轴飞行器送往土卫六的“蜻蜓号”任务。

与“机智号”一样,将于 2035 年抵达土卫六的“蜻蜓号”无人机会在距离地球几百万公里的地方独自飞行。但“机智号”是搭乘“毅力号”火星车抵达火星,相比之下,核动力的“蜻蜓号”无人机会于抵达土卫六一个多小时后起飞,在半空中抛掉降落伞和着陆外壳,开始为期两年的寻找生命任务。

研究人员借“机智号”获得的经验也可能有助于未来火星任务。NASA 艾姆斯研究中心(Ames Research Center)和喷气推进实验室在“机智号”抵达火星的两年前就开始了第二代直升机的研究工作。莱弗里将“机智号”类比于首个登陆火星的“旅居者号”火星车。“旅居者号”火星车于 1997 年登陆火星,自此之后,几乎每一次火星表面探测任务都搭载火星车。莱弗里说:“我们希望’机智号’也能起到类似作用,让直升机成为任务的标准组成部分。”

NASA 的 ROAMX 项目正设计用于下一代直升机的改进方案,比如对旋翼叶片进行改进,减少阻力,并能够携带重约 1 公斤的科学载荷飞行约 6 公里。去年,NASA 首席研究员海利・卡明斯(Haley Cummings)在一份关于未来火星飞行的报告中说,ROAMX 项目对旋翼叶片的改进将用于火星科学直升机,这架 30 公斤重的六旋翼直升机能够在失去一个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,还有用气象气球发射的滑翔机,以及可以在不同飞行方式之间切换的倾斜旋翼机。未来火星直升机可能会用于探索火星车无法到达的区域,最终为宇航员运送工具和物资。

艾姆斯研究中心的科学家们还设想了一种自动化机库,用来保护飞行器免受严寒和灰尘的侵袭,将设计寿命延长数年时间。如果火星直升机的运行时间更长,多个设备就可以组成机器网络,完成探索熔岩管道、火山或冰盖等任务。

莱弗里认为,“机智号”最重要的任务是在 2021 年 4 月的首次飞行中完成的。持续 39 秒的飞行证明人类能够在另一个星球上进行动力飞行。“从那以后的每一次飞行,以及我们从每一次连续飞行中收集的所有数据,都有助于人类进一步完善相关知识,”莱弗里说。

前四次飞行最多只飞行了几十米,单次不超过一分钟时间。“机智号”第五次飞行时持续了 108 秒,飞行距离 129 米。然后,“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“毅力号”火星车科学团队的要求,“机智号”拍摄了杰洛陨石坑底部福顿山脊岩石的高清照片,还飞越了部分 Séítah 地区,提供火星车无法抵达区域的图像和信息,“如果没有直升机,就不可能捕捉到这些信息,”莱弗里说。

今年 4 月份,“机智号”以每小时 20 公里的速度飞行,前后持续了两分钟多的时间,共飞行 700 多米,完成在另一个星球上最长最快的一次动力飞行。当月晚些时候,“机智号”捕获着陆平台降落伞和保护外壳的照片,NASA 希望利用这些照片确保未来航天器的安全着陆。

莱弗里说,“机智号”即将迎来的第一个火星冬天是团队从未想到过的挑战,但现在他们已经证明直升机在火星上飞行是可能的,这有可能让直升机成为未来探索其他天体的任务组成部分。“我们还没有决定下一个目的地是什么,”莱弗里说。“但有一件事我很有信心,那就是还会有下一次。”

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关键词:直升机火星机智号

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