火星是一颗尘土飞扬的行星。从微小的尘暴到笼罩地球的巨大风暴，尘埃一直是研究任务面临的挑战。对于 Ingenuity 来说尤其如此，自 2021 年 2 月以来，这架旋翼飞行器一直与 NASA 的恒心漫游者一起探索火星。现在，史蒂文斯理工学院、空间科学研究所和喷气推进实验室的研究人员基于 Ingenuity 号在红色星球上历史性的首次飞行，完成了对火星尘埃动力学的首次真实世界研究，为未来的地外旋翼飞行任务铺平了道路.
这项工作发表在 2022 年 12 月的《地球物理研究杂志：行星》上，可以支持 NASA 的火星样本返回计划，该计划将检索由毅力号收集的样本，或为 2027 年土星最大卫星土卫六设定航线的蜻蜓任务.
“地球上的直升机飞行员更喜欢在直升机停机坪上着陆是有原因的，”史蒂文斯大学的合著者兼助理教授杰森·拉比诺维奇说。“当直升机降落在沙漠中时，它的下沉气流会激起足够多的灰尘，导致能见度为零的‘断电’——而火星实际上是一个大沙漠。”
Rabinovitch 自 2014 年以来一直致力于 Ingenuity 计划，在该概念首次向 NASA 提出后不久就加入了喷气推进实验室，并创建了第一个直升机在尘土飞扬的火星环境中扬尘的理论模型。在史蒂文斯，Rabinovitch 继续与 JPL 合作，研究航天器动力下降过程中的羽流与表面的相互作用。他还模拟了超音速降落伞充气和地球物理现象，例如土卫二上的羽流。
Rabinovitch 解释说，研究另一个星球上的尘埃动力学并不容易。“太空是一个数据匮乏的环境。很难将视频和图像传回地球，因此我们必须尽我们所能。”
为了克服这一挑战，Rabinovitch 和 JPL 的同事使用先进的图像处理技术从六次直升机飞行中提取信息，这些都是由毅力号拍摄的低分辨率视频。通过识别视频帧之间的微小变化以及单个像素的光强度，研究人员能够计算出 Ingenuity 起飞、盘旋、机动和着陆时扬起的尘埃云的大小和总质量。
结果与 Rabinovitch 的工程模型相差无几——这本身就是一项了不起的成就，因为早在 2014 年，Rabinovitch 和他的同事们就在编写旨在支持原始设计的粗略计算独创性。
研究表明，正如预测的那样，尘埃是外星旋翼飞行器的一个重要考虑因素，据估计，Ingenuity 每次飞行时都会扬起自身质量的千分之一(四磅)的尘埃。这比地球上同等直升机产生的灰尘多很多倍，不过 Rabinovitch 警告说，直接比较是很棘手的。
“看到来自 Perseverance 的 Mastcam-Z 视频令人兴奋，该视频是出于工程原因拍摄的，最终显示 Ingenuity 从表面扬起如此多的灰尘，开辟了一条新的研究路线，”高级研究科学家 Mark Lemmon 说。空间科学研究所火星科学实验室和该研究的第一作者。
“当你想到火星上的尘埃时，你不仅要考虑较低的重力，还要考虑气压、温度、空气密度的影响——还有很多我们还没有完全理解，”Rabinovich 说。不过，他补充说，这就是让研究 Ingenuity 的尘埃云如此令人兴奋的原因。
更好地了解停电可以帮助 NASA 延长未来的机器人任务，方法是让太阳能电池板运行更长时间，或者更容易将精密设备安全地降落在尘土飞扬的火星表面。它还可以提供关于风和风尘在地球和太阳系周围极端环境中的天气模式和侵蚀中的作用的新见解。
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