在火星上起飞：解锁外星探索新姿势

接近 120 年以前，莱特兄弟证实了在地球上开展可控性驱动力飞行是很有可能的。现如今，美国国家航空航天局（NASA）提前准备在另一个星体上开展一样的试着。假如她们的飞行器最后获得成功，将为人们以航空公司方法探寻别的大行星出示关键的信息内容。

在一段短暂性而颇具戏剧化的着陆全过程后，毅力号早已于 2 月 18 日着陆在火星的杰泽罗碰撞坑。毅力号上配用的 “机智号”（Ingenuity）是一架约重 1.8 Kg的直升机，一切顺利得话，它将变成第一个进到另一颗大行星地球大气层飞行的人们航天飞机。这架中小型直升机现阶段被捆绑在 NASA 的 “毅力”号（Perseverance）火星探测车的腹腔，已经由毅力号为其电池充电，毅力号放开手后，将由其本身带上的太阳能发电太阳能电池板磷酸原。

▲ 机智号将在火星上开展首飞，而毅力号将在远方开展观查

NASA 将机智号直升机每日任务称之为 “技术性演试”，这代表着其唯一重任便是在一系列首飞中取得成功地展现其飞行工作能力。假如一切顺利开展，机智号将推动一个探寻火星艰险地貌的新时期。在探测车没法抵达的地区，像机智号那样的航天飞机能够对火星的一些风险特点，如极大的溶岩安全通道等，开展更近距的观查。

在火星上如何起降？

请构想一下：在大家所在的地球上，都还没一架直升机能飞往超出 12 公里的高宽比。但在火星上，空气的相对密度仅有地球上的百分之一，十分较稀，因而在火星上飞行就等同于试着在地球上 30 公里的高处起降。

NASA 喷气式飞机推动试验室（JPL）的工程项目经理 MiMi Aung 说：“你不能把一架设计方案为在地球上飞行的直升机等占比改裝，就寄希望于它能在火星上运作。”为了更好地使直升机造成充足的空气阻力，MiMi Aung 和喷气式飞机推动试验室的 Bob Balaram 精英团队对传统式旋翼机开展了再次设计方案，选用了新的旋翼叶片样子和原材料，另外大幅度提高了这种叶片的转动速率。最后的制成品包括2个左右层叠的旋翼，其叶片直径为 120 公分，以反过来的方位转动，转速比达到每分 2400 转。

但是，空气阻力并并不是机智号精英团队唯一关注的难题。为了更好地生产制造一架能够在火星上飞行的直升机，她们要处理众多难点，包含让飞行器基本上彻底无人驾驶，并使其净重减为最轻。MiMi Aung 表明，虽然火星的作用力仅有地球上的三分之一上下，但减少机智号的净重一直是困惑产品工程师们的一大难点。不管怎样，这架直升机的净重务必在 1.8 Kg下列。另一方面，为了更好地达到在毅力号探测仪的腹腔安裝机智号的必须，其旋翼的总宽务必限定在 120 公分，这也限定了直升机的空气阻力。

“大家所做的一切都是为了更好地让它越来越充足轻，并且充足牢固，可以承担发送和火星之行的磨练，”Bob Balaram 说，“这架飞行器必须可以变成真实的太空飞船。”

MiMi Aung 追忆了一段有趣的事。本来性子柔和的 Balaram 和通讯精英团队的组员中间暴发了一次争执，由于后面一种做出了一个不正确：规定为她们的机器设备在提升附加的 3 克荷载。MiMi Aung 追忆说：“他确立表明，她们必须在沒有附加 3 克的状况下处理这个问题。”

喷气式飞机推动试验室精英团队遭遇的另一个极大挑戰是让机智号完成几近彻底的实用化，由于数据信号从地球上抵达火星最少必须 5 分鐘。室内设计师们还必须保证该直升机不容易严重危害斥资 25 亿美金的毅力号每日任务。这就必须安全性层面的自主创新，例如只在飞行很迟给充电电池填满电，以保证机智号的锂电池不容易像一些智能机那般因过多电池充电而发生爆炸事故。

Balaram 在 20 新世纪 90 时代就拥有火星飞行器的基本念头，这之后变成机智号设计方案的支撑。21 新世纪初，他与一些朋友向 NASA 明确提出了火星直升机的定义，并得到了一年的科学研究资产，但最后由于资产匮乏，对这一定义的科学研究被闲置。

▲ 几个星期以后，毅力号将把机智号布署在火星表层

MiMi Aung 追忆道，十多年后，那时候的喷气式飞机推动试验室负责人克利夫 · 埃拉奇在见到一个演说以后，向他的精英团队明确提出了一个坦率的难题：为何我们不尝试在火星上飞行？精英团队中有些人想到了 Balaram 的工作中，事儿逐渐拥有转折。在又一轮填满市场前景的检测以后，喷气式飞机推动试验室于 2014 年任职 MiMi Aung 为此项目地主管。

在地球上怎样仿真模拟检测火星上的飞行

伴随着新项目的推动，精英团队迈入了一个新的挑戰：怎样尽量真正地检测直升机的飞行特性？先前都还没一切在火星上飞行的试着，因而该精英团队务必想到一些方式 ，在地球上仿真模拟火星较稀的气体、较低的作用力，乃至仿真模拟相近火星的气温标准。

2014 年 12 月，该精英团队从喷气式飞机推动试验室的真空系统中抽走了基本上所有气体，直至其相对密度与火星空气的相对密度非常。然后，她们运行了原型机的旋翼叶片，使这架直升机飞出路面，初次证实在这般较稀的空气中飞行是很有可能的。殊不知，这架由操作手柄操纵的直升机在晃动着飞出路面以后，忽然又撞向一边，将旋翼叶片都粉碎了。起降是保证了，但操纵并不尽如人意。

在对此次检测的剖析中，Balaram 以及团队精神到，必须改善一下原型机的叶片。在地球上，高速运转的直升机叶片大会上下敲打，但气体的薄厚足够使其在无法控制以前变弱敲打的力度。殊不知，在仿真模拟的火星空气中，那样的敲打会丧失操纵，使直升机不平衡。为了更好地处理这个问题，精英团队最后用抗压强度非常高且净重特轻的碳纤维材料生产制造了旋翼叶片。

▲ 美国国家航空航天局的精英团队组员已经调节机智号

在解决了可控飞行难题以后，精英团队必须处理直升机独立飞行的难题。技术工程师哈弗德 · 格内普领导干部着导航栏和操纵精英团队，下手开发设计适合的感应器和优化算法组成，以保证直升机长期保持并描准。2016 年 5 月，在第二次重特大的检测中，机智号直升机飞出路面后维持了平稳的回旋，但其下边依然有一串垂悬的电缆线，联接背后的开关电源和电子计算机。下面的2年里，机智号精英团队将在火星上飞行需要的全部构件，包含太阳能发电太阳能电池板、充电电池、通讯设备和CPU等，都融合变成一个 1.8 Kg重的壳体，并且大部分可以独立飞行。

对载满原型机的最后一次检测是在 2018 年 1 月。技术工程师们设计方案了一个更贴近火星的飞行自然环境。她们在直升机上连了一条钓鱼线，将其迟缓往上伸展，以仿真模拟火星作用力降低的状况；此外，她们在飞行室中引入二氧化碳，更进一步仿真模拟火星大气的组成。直升机起飞，回旋着，开展了一次可精确测量的上下挪动。一个构想中的定义好像将要变成实际。

最终，精英团队开始了机智号的修建和拼装工作中。让人焦虑不安的最后一步是在一间清洁的屋子里开展的，那边有历经严苛消毒杀菌的机器设备和构件，以保证直升机不容易带上一切微生物空气污染物，终究它的每日任务是在火星上寻找古时候性命的征兆。

机智号的火星工作规划

2 月 18 日，当机智号直升机随毅力号到达这颗红色星球时，它将遭遇干躁、严寒的严苛自然环境，那边的晚间溫度很有可能急剧下降至零下 90 ℃。在降落后 60 到 90 天，假如一切顺利，毅力号将挪动到比较平整的路面，将机智号学会放下。当这架直升机在火星铁锈色的土地资源上停稳以后，毅力号将行车到一个足球场地之外的地区。

在下面的 30 时间，机智号方案试着 5 次飞行，难度系数会慢慢提升。自然，在另一个星体的里程碑式试飞将仅仅一个简易的回旋。依照方案，机智号的每一次飞行不超过 3 分鐘，飞行高宽比约为 3 到 5 米，飞行间距达到 300 米。每一次着陆后，机智号将立即与毅力号通讯。

“第一次在大家从没经历过的标准下飞行，那样的念头自身就令人震惊，”麻省理工大学的自主机器人学者尼克斯 · 罗伊说，“你能做全部你要做的检测和剖析，但在一切工作中完毕以后，总算能够起飞，在大家在地球上从没看到过的标准下飞行。”

假如一切顺利开展，机智号的首飞将在火星表层上穿越重生约 500 米的间距。虽然沒有科学研究总体目标，但机智号带上了2个照相机，也许能够从一个全新升级的视角出示火星的图象。根据这种图象，大家将掌握将来的直升机将怎样更改 NASA 在火星乃至别的星体上开展探寻的工作能力。“假如此项勤奋成功了，它将为大家探寻火星表层出示一种全新升级方法，”NASA 总公司机智号项目主管戴夫 · 拉弗里说，“例如，你能想要知道下一座山的那边是啥。”

在喷气式飞机推动试验室，史学家埃里克 · 康威的工作中之一便是纪录机智号的造就和艰难困苦。他表明，要想更进一步探寻火星表层，大家就务必以迅速的速率遮盖大量的路面。“我们在全部火星上降落的物品还不上 10 件，”他说道，“假如你尝试根据着陆在 10 个地址的探测仪来说动我，你了解有关地球上的一切，我能取笑你的。”

Balaram 表明，将来的火星直升机很有可能重约 23 Kg，包含大概 3.6 Kg的仪器设备，其外观设计很有可能类似地球上的六轴无人飞机。

拉弗里表明，假如机智号取得成功在火星上完成了可控性飞行，它就 “摆脱了堡垒”。换句话说，如果我们能在火星上那么做，那在别的地区还可以那么做。NASA 早已在筹备一项名叫 “蜻蜒号”（Dragonfly）的每日任务，方案用其在土卫六 “泰塔”（Titan）上找寻合适微生物存活的自然环境与有机化学标准。蜻蜒号将是一架核动力旋翼直升机，由于土卫六上的空气更加较密。

自然，全部这种概率都在于机智号在火星上的首飞状况。“在火星上的第一次飞行将是关键性的最后检测，”MiMi Aung 说，“没有人了解此项每日任务是不是确实能完成，如今大家必须再开展一次飞行来证实这一点。”