將近 120 年前，萊特兄弟證明了在地球上進(jìn)行可控動(dòng)力飛行是可能的。如今，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）準(zhǔn)備在另一個(gè)星球上進(jìn)行同樣的嘗試。如果他們的飛行器最終取得成功，將為人類(lèi)以航空方式探索其他行星提供重要的信息。
在一段短暫而富有戲劇性的降落過(guò)程后，毅力號(hào)已經(jīng)于 2 月 18 日降落在火星的杰澤羅撞擊坑。毅力號(hào)上搭載的 “機(jī)智號(hào)”（Ingenuity）是一架重約 1.8 千克的直升機(jī)，一切順利的話，它將成為首個(gè)進(jìn)入另一顆行星大氣層飛行的人類(lèi)航天器。這架小型直升機(jī)目前被綁在 NASA 的 “毅力”號(hào)（Perseverance）火星探測(cè)車(chē)的腹部，正在由毅力號(hào)為其充電，毅力號(hào)放手后，將由其自身攜帶的太陽(yáng)能電池板供能。
▲ 機(jī)智號(hào)將在火星上進(jìn)行試飛，而毅力號(hào)將在遠(yuǎn)處進(jìn)行觀察
NASA 將機(jī)智號(hào)直升機(jī)任務(wù)稱(chēng)為 “技術(shù)演示”，這意味著其唯一使命就是在一系列試飛中成功地展示其飛行能力。如果一切進(jìn)展順利，機(jī)智號(hào)將引領(lǐng)一個(gè)探索火星崎嶇地形的新時(shí)代。在探測(cè)車(chē)無(wú)法到達(dá)的地方，像機(jī)智號(hào)這樣的航天器可以對(duì)火星的一些危險(xiǎn)特征，如巨大的熔巖通道等，進(jìn)行更近距離的觀察。
在火星上怎么起飛？
請(qǐng)?jiān)O(shè)想一下：在我們所處的地球上，還沒(méi)有一架直升機(jī)能飛到超過(guò) 12 千米的高度。但在火星上，大氣的密度只有地球的百分之一，非常稀薄，因此在火星上飛行就相當(dāng)于嘗試在地球 30 千米的高空起飛。
NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的項(xiàng)目經(jīng)理 MiMi Aung 說(shuō)：“你不能把一架設(shè)計(jì)為在地球上飛行的直升機(jī)等比例改裝，就指望它能在火星上運(yùn)行?！睘榱耸怪鄙龣C(jī)產(chǎn)生足夠的升力，MiMi Aung 和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的 Bob Balaram 團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)旋翼機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用了新的旋翼葉片形狀和材料，同時(shí)大幅提高了這些葉片的旋轉(zhuǎn)速度。最終的成品包含兩個(gè)上下堆疊的旋翼，其葉片直徑約為 120 厘米，以相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘 2400 轉(zhuǎn)。
不過(guò)，升力并不是機(jī)智號(hào)團(tuán)隊(duì)唯一關(guān)心的問(wèn)題。為了制造一架可以在火星上飛行的直升機(jī)，他們要解決諸多難題，包括讓飛行器幾乎完全自動(dòng)駕駛，并使其重量減至最輕。MiMi Aung 表示，盡管火星的重力只有地球上的三分之一左右，但降低機(jī)智號(hào)的重量一直是困擾項(xiàng)目工程師們的一大難題。無(wú)論如何，這架直升機(jī)的重量必須在 1.8 千克以下。另一方面，為了滿足在毅力號(hào)探測(cè)器的腹部安裝機(jī)智號(hào)的需要，其旋翼的寬度必須限制在 120 厘米，這也限制了直升機(jī)的升力。
“我們所做的一切都是為了讓它變得足夠輕，而且足夠堅(jiān)固，能夠承受發(fā)射和火星之旅的考驗(yàn)，”Bob Balaram 說(shuō)，“這架飛行器需要能夠成為真正的宇宙飛船?！?/p>
MiMi Aung 回憶了一段趣事。原本脾氣溫和的 Balaram 和通信團(tuán)隊(duì)的成員之間爆發(fā)了一次爭(zhēng)吵，因?yàn)楹笳叻赶铝艘粋€(gè)錯(cuò)誤：要求為他們的設(shè)備在增加額外的 3 克載荷。MiMi Aung 回憶說(shuō)：“他明確表示，他們需要在沒(méi)有額外 3 克的情況下解決這個(gè)問(wèn)題?！?/p>
噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)面臨的另一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是讓機(jī)智號(hào)實(shí)現(xiàn)近乎完全的自主化，因?yàn)樾盘?hào)從地球到達(dá)火星至少需要 5 分鐘。設(shè)計(jì)師們還需要確保該直升機(jī)不會(huì)危及耗資 25 億美元的毅力號(hào)任務(wù)。這就需要安全方面的創(chuàng)新，比如只在飛行前才給電池充滿電，以確保機(jī)智號(hào)的鋰離子電池不會(huì)像某些智能手機(jī)那樣因過(guò)度充電而發(fā)生爆炸。
Balaram 在 20 世紀(jì) 90 年代就有了火星飛行器的初步想法，這后來(lái)成為機(jī)智號(hào)設(shè)計(jì)的支柱。21 世紀(jì)初，他和一些同事向 NASA 提出了火星直升機(jī)的概念，并獲得了一年的研究資金，但最終因?yàn)橘Y金枯竭，對(duì)這一概念的研究被擱置。
▲ 幾周之后，毅力號(hào)將把機(jī)智號(hào)部署在火星表面
MiMi Aung 回憶道，十多年后，當(dāng)時(shí)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主任查爾斯 · 埃拉奇在看到一個(gè)演講之后，向他的團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)直率的問(wèn)題：為什么我們不試著在火星上飛行？團(tuán)隊(duì)中有人想起了 Balaram 的工作，事情開(kāi)始有了轉(zhuǎn)機(jī)。在又一輪充滿前景的測(cè)試之后，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于 2014 年任命 MiMi Aung 為該項(xiàng)目的經(jīng)理。
在地球上如何模擬測(cè)試火星上的飛行
隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，團(tuán)隊(duì)迎來(lái)了一個(gè)新的挑戰(zhàn)：如何盡可能真實(shí)地測(cè)試直升機(jī)的飛行性能？此前還沒(méi)有任何在火星上飛行的嘗試，因此該團(tuán)隊(duì)必須想出一些方法，在地球上模擬火星稀薄的空氣、較低的重力，甚至模擬類(lèi)似火星的天氣條件。
2014 年 12 月，該團(tuán)隊(duì)從噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的真空室中吸走了幾乎全部空氣，直到其密度與火星大氣的密度相當(dāng)。接著，他們啟動(dòng)了原型機(jī)的旋翼葉片，使這架直升機(jī)飛離地面，首次證明在如此稀薄的空氣中飛行是可能的。然而，這架由操縱桿控制的直升機(jī)在搖晃著飛離地面之后，突然又撞向一邊，將旋翼葉片都打碎了。起飛是做到了，但操控并不如人意。
在對(duì)這次測(cè)試的分析中，Balaram 及其團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，有必要改進(jìn)一下原型機(jī)的葉片。在地球上，高速旋轉(zhuǎn)的直升機(jī)葉片會(huì)上下拍打，但空氣的厚度足以使其在失控之前減弱拍打的幅度。然而，在模擬的火星大氣中，這樣的拍打會(huì)失去控制，使直升機(jī)失去平衡。為了解決這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)最終用強(qiáng)度極高且重量極輕的碳纖維制造了旋翼葉片。
▲ 美國(guó)國(guó)家航空航天局的團(tuán)隊(duì)成員正在調(diào)試機(jī)智號(hào)
在解決了受控飛行問(wèn)題之后，團(tuán)隊(duì)需要解決直升機(jī)自主飛行的問(wèn)題。工程師哈弗德 · 格里普領(lǐng)導(dǎo)著導(dǎo)航和控制團(tuán)隊(duì)，著手開(kāi)發(fā)合適的傳感器和算法組合，以確保直升機(jī)保持穩(wěn)定并對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。2016 年 5 月，在第二次重大的測(cè)試中，機(jī)智號(hào)直升機(jī)飛離地面后保持了穩(wěn)定的盤(pán)旋，但其下方仍然有一串懸垂的電線，連接幕后的電源和計(jì)算機(jī)。接下來(lái)的兩年里，機(jī)智號(hào)團(tuán)隊(duì)將在火星上飛行所需的所有部件，包括太陽(yáng)能電池板、電池、通信設(shè)備和處理器等，都整合成了一個(gè) 1.8 千克重的箱體，而且基本上能夠自主飛行。
對(duì)滿載原型機(jī)的最后一次測(cè)試是在 2018 年 1 月。工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)更接近火星的飛行環(huán)境。他們?cè)谥鄙龣C(jī)上連了一條釣魚(yú)線，將其緩慢向上牽拉，以模擬火星重力下降的情況；與此同時(shí)，他們?cè)陲w行室中注入二氧化碳，更進(jìn)一步模擬火星大氣的組成。直升機(jī)起飛了，盤(pán)旋著，進(jìn)行了一次可測(cè)量的左右移動(dòng)。一個(gè)設(shè)想中的概念似乎即將成為現(xiàn)實(shí)。
最后，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了機(jī)智號(hào)的建造和組裝工作。令人緊張的最后一步是在一間潔凈的房間里進(jìn)行的，那里有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格消毒的設(shè)備和部件，以確保直升機(jī)不會(huì)攜帶任何生物污染物，畢竟它的任務(wù)是在火星上搜尋古代生命的跡象。
機(jī)智號(hào)的火星工作計(jì)劃
2 月 18 日，當(dāng)機(jī)智號(hào)直升機(jī)隨毅力號(hào)抵達(dá)這顆紅色星球時(shí)，它將面臨干燥、寒冷的嚴(yán)酷環(huán)境，那里的夜間溫度可能驟降至零下 90 攝氏度。在著陸后 60 到 90 天，如果一切順利，毅力號(hào)將移動(dòng)到較為平坦的地面，將機(jī)智號(hào)放下。當(dāng)這架直升機(jī)在火星鐵銹色的土地上停穩(wěn)之后，毅力號(hào)將行駛到一個(gè)足球場(chǎng)以外的地方。
在接下來(lái)的 30 天里，機(jī)智號(hào)計(jì)劃嘗試 5 次飛行，難度會(huì)逐漸增加。當(dāng)然，在另一個(gè)星球的歷史性首飛將只是一個(gè)簡(jiǎn)單的盤(pán)旋。按照計(jì)劃，機(jī)智號(hào)的每次飛行不超過(guò) 3 分鐘，飛行高度約為 3 到 5 米，飛行距離可達(dá) 300 米。每次降落后，機(jī)智號(hào)將直接與毅力號(hào)通信。
“第一次在我們從未經(jīng)歷過(guò)的條件下飛行，這樣的想法本身就令人驚嘆，”麻省理工學(xué)院的自主機(jī)器人研究者尼克 · 羅伊說(shuō)，“你可以做所有你想做的測(cè)試和分析，但在一切工作結(jié)束之后，終于可以起飛了，在我們?cè)诘厍蛏蠌奈匆?jiàn)到過(guò)的條件下飛行?！?/p>
如果一切進(jìn)展順利，機(jī)智號(hào)的試飛將在火星表面上穿越約 500 米的距離。盡管沒(méi)有科學(xué)目標(biāo)，但機(jī)智號(hào)攜帶了兩個(gè)相機(jī)，或許可以從一個(gè)全新的角度提供火星的圖像。通過(guò)這些圖像，我們將了解未來(lái)的直升機(jī)將如何改變 NASA 在火星甚至其他星球上進(jìn)行探索的能力?！叭绻@項(xiàng)努力成功了，它將為我們探索火星表面提供一種全新方式，”NASA 總部機(jī)智號(hào)項(xiàng)目主管戴夫 · 拉弗里說(shuō)，“比如，你會(huì)想知道下一座山那邊是什么?！?/p>
在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，歷史學(xué)家埃里克 · 康威的工作之一就是記錄機(jī)智號(hào)的成就和磨難。他表示，想要更進(jìn)一步探索火星表面，我們就必須以更快的速度覆蓋更多的地面?！拔覀?cè)谡麄€(gè)火星上著陸的東西還不到 10 件，”他說(shuō)，“如果你試圖通過(guò)降落在 10 個(gè)地點(diǎn)的探測(cè)器來(lái)說(shuō)服我，你知道關(guān)于地球的一切，我會(huì)嘲笑你的?！?/p>
Balaram 表示，未來(lái)的火星直升機(jī)可能重達(dá) 23 千克，包括大約 3.6 千克的科學(xué)儀器，其外形可能類(lèi)似于地球上的六軸無(wú)人機(jī)。
拉弗里表示，如果機(jī)智號(hào)成功在火星上實(shí)現(xiàn)了可控飛行，它就 “打破了壁壘”。換言之，如果我們能在火星上這么做，那在其他地方也可以這么做。NASA 已經(jīng)在籌劃一項(xiàng)名為 “蜻蜓號(hào)”（Dragonfly）的任務(wù)，計(jì)劃用其在土衛(wèi)六 “泰坦”（Titan）上尋找適合生物生存的環(huán)境與化學(xué)條件。蜻蜓號(hào)將是一架核動(dòng)力旋翼直升機(jī)，因?yàn)橥列l(wèi)六上的大氣更為稠密。
當(dāng)然，所有這些可能性都取決于機(jī)智號(hào)在火星上的試飛情況?！霸诨鹦巧系牡谝淮物w行將是決定性的最終測(cè)試，”MiMi Aung 說(shuō)，“沒(méi)人知道這項(xiàng)任務(wù)是否真的能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在我們需要再進(jìn)行一次飛行來(lái)證明這一點(diǎn)?！?/p>
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