6 月 24 日，據外媒報道，美國宇航局(NASA)的航天器即將在另一個(gè)星球上升空。作為今年夏天進(jìn)行的火星探索任務(wù)的一部分，NASA 將嘗試做些以前從未做過(guò)的事情：操控直升機穿過(guò)火星稀薄的大氣層。如果成功，這架名為獨創(chuàng )號(Ingenuity)的小型直升機將為未來(lái)的機器人探測器創(chuàng )造鳥(niǎo)瞰火星和太陽(yáng)系其他星球的新途徑。

　　NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗室火星直升機項目經(jīng)理米米·昂(Mimi Aung)說(shuō)：“這與萊特兄弟首次駕駛飛機進(jìn)行飛行的時(shí)刻非常相似，只是這次嘗試是在另一個(gè)星球上進(jìn)行。”

　　在火星上飛行面臨著(zhù)諸多挑戰，因為那里沒(méi)有太多的空氣可以產(chǎn)生足夠升力。在火星表面，大氣層的密度只有地球的1/100，但較小的重力(約為地球1/3)有助于升空。不過(guò)，從火星表面起飛相當于在地球上 30480 米的高度飛行。地球上從來(lái)沒(méi)有直升機飛得那么高，這個(gè)海拔也是噴氣式客機通常飛行高度的兩倍多。

　　獨創(chuàng )號將與火星探測器毅力號(Perseverance)同時(shí)前往火星，后者將是 NASA 派遣到這顆紅色星球上的第五輛機器人探測車(chē)。這項任務(wù)計劃于 7 月 20 日發(fā)射，也是今年前往火星的三項任務(wù)之一。

　　在上周的新聞發(fā)布會(huì )上，NASA 局長(cháng)吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)在預覽毅力任務(wù)時(shí)，特別強調了獨創(chuàng )號的重要性。他說(shuō)：“我要告訴你們，作為一名 NASA 管理人員，最讓我興奮的事情是準備觀(guān)看直升機在另一個(gè)世界上飛行。”

　　在 1997 年之前，所有被送到火星表面的航天器都是靜止的著(zhù)陸器。直到探路者號(Pathfinder)任務(wù)包括了對 NASA 來(lái)說(shuō)具有革命性的東西：一個(gè)輪式機器人，這輛名為旅居者號(Sojourner)的探測車(chē)大約有文件柜大小。繼這一成功之后，兩輛高爾夫球車(chē)大小的探測車(chē)勇氣號和機遇號于 2004 年抵達火星，然后好奇號在 2012 年抵達那里。

　　對于在另一個(gè)星球上的機器人探測器來(lái)說(shuō)，四處移動(dòng)的能力為它們提供了巨大的優(yōu)勢。行星科學(xué)家不再拘泥于盯著(zhù)一個(gè)地方。探測車(chē)可以穿越這片風(fēng)景，停下來(lái)近距離觀(guān)察有趣的巖石。這種自由是獲得目前對早期火星理解的關(guān)鍵，即這顆現在又冷又干的星球曾經(jīng)是潮濕的，至少擁有些可能適合生命居住的環(huán)境。

　　獨創(chuàng )號本質(zhì)上是旅居者號的空中版本，它展示了一種新技術(shù)，這種技術(shù)可能會(huì )在以后的任務(wù)中得到更廣泛的應用。獨創(chuàng )號的主體部分大約與壘球大小相當，有四條細長(cháng)的腿伸出。兩組葉片(長(cháng)約 10 厘米)以相反的方向旋轉。它只有 1.8 公斤重，高約 46 厘米。

　　這款火星直升機的總工程師鮑勃·巴拉拉姆(Bob Balaram)早在 20 世紀 90 年代就開(kāi)始與同事合作研究這個(gè)想法。他說(shuō)：“這種技術(shù)并沒(méi)有真正發(fā)揮作用，我們確實(shí)做了些小測試，但后來(lái)它被擱置了，直到大約六七年前重新啟動(dòng)。”

　　巴拉拉姆說(shuō)，時(shí)任噴氣推進(jìn)實(shí)驗室主任的查爾斯·埃拉奇(Charles Elachi)對此產(chǎn)生了興趣，并為進(jìn)一步研究提供了資金。他說(shuō)：“這讓我們繼續前進(jìn)。”

　　“做以前從未做過(guò)的事情”是一項工程挑戰，這吸引了米米·昂，她于 2014 年年中加入，擔任項目經(jīng)理。米米·昂說(shuō)：“大約 20 年前，這是不可能的。真的，因為數學(xué)上的原因。”在加入火星項目之前，她是噴氣推進(jìn)實(shí)驗室自主系統部門(mén)的副經(jīng)理。

　　但米米·昂說(shuō)，有些技術(shù)進(jìn)步，比如電子產(chǎn)品的微型化、儲存更多能量的電池，以及可以做成輕質(zhì)葉片的材料，終于讓火星飛行器的夢(mèng)想在技術(shù)上成為了可能。而將這種可能性轉化為一架正常功能的直升機花了研究人員數年時(shí)間進(jìn)行反復試驗。

　　到 2014 年底，工程師們已經(jīng)建造出小型原型。這架微型直升機被放置在一個(gè)房間里，那里的大部分空氣被吸出，以復制火星大氣的密度。因為還沒(méi)有編寫(xiě)直升機飛行控制軟件，團隊中的一名成員試圖用操縱桿來(lái)引導其運動(dòng)，就像業(yè)余愛(ài)好者駕駛無(wú)人機一樣。然而當槳葉旋轉時(shí)，雖然直升機升起了，但隨后立即失去了控制。

　　領(lǐng)導空氣動(dòng)力學(xué)和實(shí)現可控飛行工作的工程師哈瓦德·格里普(Havard Grip)說(shuō)：“上述嘗試做了我們當時(shí)必須做的事情，那就是讓其實(shí)際可以離開(kāi)地面。因此，從這方面來(lái)說(shuō)，這是一次成功的實(shí)驗。但很明顯，要了解這種東西的行為方式，還有很多工作要做。”

　　巴拉拉姆和格里普表示，其中一個(gè)問(wèn)題是，葉片在以每分鐘 2000 到 3000 轉的速度旋轉時(shí)會(huì )上下彈跳。在地球上，空氣對葉片的壓力會(huì )使彈跳最小化。但在火星稀薄的大氣中，彈跳造成了不穩定，使得直升機的運動(dòng)很難控制。解決方案原來(lái)是讓葉片稍微堅硬一些，但這會(huì )增加重量。

　　格里普說(shuō)：“我認為，在早期找到一個(gè)合適的設計是最大的問(wèn)題之一。”最終，他們找到了解決方案。他說(shuō)：“當你舉起這些葉片中的一個(gè)時(shí)，如果你把它拿在手里，你會(huì )認為你要舉起某些實(shí)質(zhì)性的東西，而且它像空氣一樣輕，同時(shí)又極其堅硬，這是相當令人震驚的。”

　　這項工程涉及一系列折衷方案，以適應直升機尺寸、重量和電池電量的限制。與此同時(shí)，格里普帶頭開(kāi)發(fā)了計算機算法，這些算法將能夠足夠快地操縱和調整直升機的飛行，以自動(dòng)對火星上不斷變化的大氣條件做出反應。

　　2016 年 5 月，下一架直升機原型準備就緒。在模擬透明火星大氣層的同一個(gè)房間里，直升機上升，然后穩定地盤(pán)旋并實(shí)現了軟著(zhù)陸。有史以來(lái)第一次，一架直升機原型在模擬火星大氣條件下進(jìn)行了控制飛行，盡管它仍然連接著(zhù)外部電源和計算機。

　　完整的設計，包括電池、高通驍龍處理器，與手機、通信系統和傳感器完全集成在一起，于 2018 年 1 月準備就緒。為了模仿火星較弱的重力，一個(gè)滑輪向上拉以抵消部分地球引力。房間里的空氣密度再次下降。但這一次，沒(méi)有留下少量的地球空氣，而是注入了少量二氧化碳，這是火星大氣的主要成分。

　　半年后，NASA 批準將直升機添加到 NASA 的下一次火星探測任務(wù)中?，F在，毅力號的腹部貼附著(zhù)獨創(chuàng )號，它正在為從佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射進(jìn)行最后的準備。

　　與此同時(shí)，米米·昂和她的團隊正在進(jìn)行排練，一旦獨創(chuàng )號登上火星，他們將會(huì )做些什么。由于噴氣推進(jìn)實(shí)驗室因受新型冠狀病毒疫情影響而基本上關(guān)閉，所有的工作都是通過(guò)電話(huà)會(huì )議完成的，所有的團隊成員都在家里工作。

　　當明年 2 月份，即毅力號登陸火星大約兩個(gè)月后，研究人員將對獨創(chuàng )號開(kāi)始測試。毅力號會(huì )找到一個(gè)合適的平坦地方，把直升機釋放到地上，然后開(kāi)到至少 100 米遠的地方。米米·昂說(shuō)：“直升機再也不會(huì )回到探測器中。”

　　在隨后的 30 天內，直升機將進(jìn)行最多 5 次飛行，但其大部分時(shí)間都會(huì )坐在那里等待太陽(yáng)能電池板給電池充電。

　　首次飛行是上升數十厘米，盤(pán)旋 30 秒，然后著(zhù)陸。隨后的飛行將會(huì )更長(cháng)、更高、更遠。在第五次飛行中，如果一切正常，獨創(chuàng )號將升空約 4.6 米，飛出 150 米遠，然后回到它開(kāi)始的地方。它有兩個(gè)攝像頭：一個(gè)是向下的黑白攝像頭，用于跟蹤它所在的位置;另一個(gè)是彩色攝像頭，用于觀(guān)察風(fēng)景。這次飛行將持續一分半鐘。

　　一旦飛行完成，獨創(chuàng )號將留在最后的著(zhù)陸點(diǎn)，毅力號將驅車(chē)完成剩余的任務(wù)。米米·昂說(shuō)，這項技術(shù)可以應用到更大的飛行器上，重量最高可達 13.6 公斤，而不僅僅是 1.8 公斤。這樣的直升機可能足夠大，可以攜帶更重的相機和其他儀器。

　　NASA 已經(jīng)計劃向土星最大的衛星 Titan(土衛六)發(fā)射一架核動(dòng)力旋翼機——蜻蜓號(Dragonfly)。但土衛六的大氣層很厚，因此在那里飛行不會(huì )帶來(lái)與火星相同的技術(shù)挑戰。

　　即使未來(lái)的直升機前往火星，它們幾乎可以肯定永遠不會(huì )成為那里的宇航員可行的交通工具。米米·昂稱(chēng)：“你不會(huì )想到把它擴展到可以像在地球上那樣載人飛行的地方，畢竟那里沒(méi)有足夠的大氣。”
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