3月5日，火星車“毅力號”首次行走，它在33分鐘時間裡行走了6.5米。與“毅力號”一同登陸火星的，還有一架無人機“機智號”，相比火星車，無人機的探索範圍以及空間會大為增加，讓我們拭目以待“機智號”的首飛。不過，在火星上想讓無人機飛起來，可比在地球上難多了，到底會遇到哪些挑戰呢？

降落在火星上的機智號無人機效果圖

撰文 | 楊先碧

2020年7月30日，美國火星2020探測器從佛羅里達州升空。與以往的火星任務不同的是，這次不僅攜帶了毅力號火星車，而且還有一個“小傢伙”跟隨升空，它就是即將在火星上翱翔的首架無人機——“機智號”。

01 “機智號”有多大

美國最近的這次火星探測任務主要是將毅力號火星車送上火星，“機智號”不過是個“添頭”，因此它一點也不起眼。這從對它們的投入就可以看出來：“毅力號”耗資24億美元，而“機智號”僅僅0.85億美元。

“毅力號”是一個“大傢伙”，和一輛家用小轎車差不多大，其長3米、寬2.7米、高2.2米、淨重1043千克。與“毅力號”相比，“機智號”小得可憐，淨重只有1.8千克，旋翼葉片長度為1.2米。

“機智號”藏於“毅力號”的“腹部”，並隨著“毅力號”一起飛往火星。“機智號”的設計符合一款航天器的標準，可以承受火箭發射過程中產生的重力和振動。當“毅力號”著陸火星之後，科學家會將“機智號”喚醒，令其從“毅力號”的“腹部”飛出來。

每次飛行任務完成後，“機智號”會再次回到“毅力號”的“懷抱”中。此時，“機智號”像是個袋鼠寶寶，靜靜地在“毅力號”的“腹部”沉睡。

02 “機智號”如何飛翔

火星大氣環境十分惡劣：火星表面的大氣壓僅有地球的0.7%；火星大氣中幾乎沒有氧氣，95%是二氧化碳，火星大氣的平均溫度是-63℃。因此，想在火星上飛起來是件十分不容易的事情。當然，無人機在火星上飛行也有比地球有利的地方，那就是火星引力只有地球引力的三分之一，無人機不需要花太大的“力氣”來克服火星引力。

“機智號”（前）與“毅力號”（後）個頭對比

“機智號”的結構示意圖

“機智號”模型

工作人員對“機智號”進行測試調整

為了讓“機智號”能在火星上順利飛行，科學家為它設計了先進的旋翼。這個旋翼包括2個轉子、4個葉片，每個葉片長1.2米。這些葉片採用了碳纖維材料，薄如蟬翼，輕如鴻毛。同時，“機智號”配備有抗輻射系統，這可保證其在寒冷的火星環境中正常執行。

儘管“機智號”採用了先進的材料和設計，但它的飛行能力還是特別有限：最大飛行距離為300米，最大飛行高度只有5米。這是因為在火星上飛行十分費勁，旋翼要每分鐘旋轉2800次才能保障“機智號”的正常飛行。而在地球大氣層中，旋翼旋轉速度只需280次左右就可輕鬆且平穩地飛行。

“機智號”將在“毅力號”著陸後的60～90個火星日後，進行為期30天的飛行穩定性測試，預計最多飛行5次。由於旋翼功率很大，且“機智號”攜帶的充電式鋰電池又不能太大，因此“機智號”每次的飛行時間很短，只有90秒。

為什麼不給“機智號”配備更大的鋰電池呢？這是因為如果攜帶的電池太大太重的話，“機智號”可能在火星上就飛不起來了。“機智號”攜帶有太陽能電池板（位於無人機的頂部），可利用陽光為鋰電池充電。“機智號”飛行短短90秒，卻需要一個火星日（24.62小時）的時間來充電。

“機智號”離開“毅力號”執行飛行探測任務

03 “機智號”有什麼用

目前，在火星上工作的有軌道飛行器和火星車。為什麼科學家還要研製無人機呢？這是因為軌道飛行器離火星表面太遠，難以進行觀察到火星表面的細節。而火星車的視野有限，對地形的要求較高，很容易被坡坡坎坎、懸崖峭壁、石塊碎礫等阻斷去路。

如果火星上曾經演化出生命，在火星表面環境變得惡劣之後，它們可能撤退到地下洞穴中。陽光照射不到的火星洞穴可能是水和冰的儲存之地，因此未來人類要進駐火星，洞穴可能是備選的居住地之一。無論出於什麼樣的考慮，火星洞穴都值得探索，而火星車和軌道飛行器都不太適合深入洞穴。

無人機則結合了軌道飛行器和火星車的優勢，它既可以從空中俯瞰，又可以近地觀察，還可以飛入火星洞穴、峽谷和隕石坑中。比如，“機智號”攜帶有小型航空電子裝置、通訊裝置、成像裝置，這樣它可以按照地面科學家釋出的指令進行飛行，飛到火星車難以抵達的區域。

“機智號”為示範性火星無人機，也就是說，它的主要用途不是進行科學考察，而是測試無人機究竟能不能在火星上飛起來。科學家根據其飛行結果和相關資料，對後續的火星無人機的設計進行改進，讓以後的火星無人機能更有效地完成更多的科學考察任務。

“機智號”研製團隊的首席科學家哈瓦德·格里普說：“萊特兄弟表明，飛行器在地球大氣中的動力飛行是可行的，而我們的研究則將證明，飛行器在火星大氣中也能飛起來。”

04 “機智號”名字的由來

2020年4月，美國宇航局宣佈，將首架火星無人機命名為“機智號”。“機智號”是由英文ingenuity翻譯來的，這個名字來自美國阿拉巴馬州諾斯波特的高中生瓦妮扎·魯帕尼的提議。

當美國宇航局準備為首架火星無人機命名時，他們沒有另外舉行選拔賽，而是從火星車命名徵集賽的優秀名稱中挑選了一個。這就是“機智號”名字的由來，它是由美國宇航局局長吉姆·布里登斯廷選出來的。

為什麼會提出“機智號”這個名字？魯帕尼說：“對於希望努力克服星際旅行挑戰的人來說，聰明才智讓我們所有人都能體驗到太空探索的奇觀，聰明才智讓人們完成令人驚歎的事情。”

為火星無人機取名的女中學生瓦妮扎·魯帕尼