新浪科技|科学好故事|在火星上起飞！解锁外星探索新姿势_

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来源：Smithsonian Magazine
作者：亚历克斯·福克斯（Alex Fox）
翻译：任天
将近120年前，莱特兄弟证明了在地球上进行可控动力飞行是可能的。如今，美国国家航空航天局（NASA）准备在另一个星球上进行同样的尝试。如果他们的飞行器最终取得成功，将为人类以航空方式探索其他行星提供重要的信息。
在一段短暂而富有戏剧性的降落过程后，毅力号已经于2月18日降落在火星的杰泽罗撞击坑。毅力号上搭载的“机智号”（Ingenuity）是一架重约1.8千克的直升机，一切顺利的话，它将成为首个进入另一颗行星大气层飞行的人类航天器。这架小型直升机目前被绑在NASA的“毅力”号（Perseverance）火星探测车的腹部，正在由毅力号为其充电，毅力号放手后，将由其自身携带的太阳能电池板供能。

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机智号将在火星上进行试飞，而毅力号将在远处进行观察
NASA将机智号直升机任务称为“技术演示” ，这意味着其唯一使命就是在一系列试飞中成功地展示其飞行能力。如果一切进展顺利，机智号将引领一个探索火星崎岖地形的新时代。在探测车无法到达的地方，像机智号这样的航天器可以对火星的一些危险特征，如巨大的熔岩通道等，进行更近距离的观察。
在火星上怎么起飞？
请设想一下：在我们所处的地球上，还没有一架直升机能飞到超过12千米的高度。但在火星上，大气的密度只有地球的百分之一，非常稀薄，因此在火星上飞行就相当于尝试在地球30千米的高空起飞。

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NASA喷气推进实验室（JPL）的项目经理MiMi Aung说：“你不能把一架设计为在地球上飞行的直升机等比例改装，就指望它能在火星上运行。 ”为了使直升机产生足够的升力， MiMi Aung和喷气推进实验室的Bob Balaram团队对传统旋翼机进行了重新设计，采用了新的旋翼叶片形状和材料，同时大幅提高了这些叶片的旋转速度。最终的成品包含两个上下堆叠的旋翼，其叶片直径约为120厘米，以相反的方向旋转，转速可达每分钟2400转。
不过，升力并不是机智号团队唯一关心的问题。为了制造一架可以在火星上飞行的直升机，他们要解决诸多难题，包括让飞行器几乎完全自动驾驶，并使其重量减至最轻。 MiMi Aung表示，尽管火星的重力只有地球上的三分之一左右，但降低机智号的重量一直是困扰项目工程师们的一大难题。无论如何，这架直升机的重量必须在1.8千克以下。另一方面，为了满足在毅力号探测器的腹部安装机智号的需要，其旋翼的宽度必须限制在120厘米，这也限制了直升机的升力。

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“我们所做的一切都是为了让它变得足够轻，而且足够坚固，能够承受发射和火星之旅的考验， ”Bob Balaram说， “这架飞行器需要能够成为真正的宇宙飞船。 ”
MiMi Aung回忆了一段趣事。原本脾气温和的Balaram和通信团队的成员之间爆发了一次争吵，因为后者犯下了一个错误：要求为他们的设备在增加额外的3克载荷。 MiMi Aung回忆说：“他明确表示，他们需要在没有额外3克的情况下解决这个问题。 ”
喷气推进实验室团队面临的另一个巨大挑战是让机智号实现近乎完全的自主化，因为信号从地球到达火星至少需要5分钟。设计师们还需要确保该直升机不会危及耗资25亿美元的毅力号任务。这就需要安全方面的创新，比如只在飞行前才给电池充满电，以确保机智号的锂离子电池不会像某些智能手机那样因过度充电而发生爆炸。
Balaram在20世纪90年代就有了火星飞行器的初步想法，这后来成为机智号设计的支柱。 21世纪初，他和一些同事向NASA提出了火星直升机的概念，并获得了一年的研究资金，但最终因为资金枯竭，对这一概念的研究被搁置。

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几周之后，毅力号将把机智号部署在火星表面
MiMi Aung回忆道，十多年后，当时的喷气推进实验室主任查尔斯·埃拉奇在看到一个演讲之后，向他的团队提出了一个直率的问题：为什么我们不试着在火星上飞行？团队中有人想起了Balaram的工作，事情开始有了转机。在又一轮充满前景的测试之后，喷气推进实验室于2014年任命MiMi Aung为该项目的经理。
在地球上如何模拟测试火星上的飞行
随着项目的推进，团队迎来了一个新的挑战：如何尽可能真实地测试直升机的飞行性能？此前还没有任何在火星上飞行的尝试，因此该团队必须想出一些方法，在地球上模拟火星稀薄的空气、较低的重力，甚至模拟类似火星的天气条件。

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2014年12月，该团队从喷气推进实验室的真空室中吸走了几乎全部空气，直到其密度与火星大气的密度相当。接着，他们启动了原型机的旋翼叶片，使这架直升机飞离地面，首次证明在如此稀薄的空气中飞行是可能的。然而，这架由操纵杆控制的直升机在摇晃着飞离地面之后，突然又撞向一边，将旋翼叶片都打碎了。起飞是做到了，但操控并不如人意。
在对这次测试的分析中， Balaram及其团队意识到，有必要改进一下原型机的叶片。在地球上，高速旋转的直升机叶片会上下拍打，但空气的厚度足以使其在失控之前减弱拍打的幅度。然而，在模拟的火星大气中，这样的拍打会失去控制，使直升机失去平衡。为了解决这个问题，团队最终用强度极高且重量极轻的碳纤维制造了旋翼叶片。

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美国国家航空航天局的团队成员正在调试机智号
在解决了受控飞行问题之后，团队需要解决直升机自主飞行的问题。工程师哈弗德·格里普领导着导航和控制团队，着手开发合适的传感器和算法组合，以确保直升机保持稳定并对准目标。 2016年5月，在第二次重大的测试中，机智号直升机飞离地面后保持了稳定的盘旋，但其下方仍然有一串悬垂的电线，连接幕后的电源和计算机。接下来的两年里，机智号团队将在火星上飞行所需的所有部件，包括太阳能电池板、电池、通信设备和处理器等，都整合成了一个1.8千克重的箱体，而且基本上能够自主飞行。
对满载原型机的最后一次测试是在2018年1月。工程师们设计了一个更接近火星的飞行环境。他们在直升机上连了一条钓鱼线，将其缓慢向上牵拉，以模拟火星重力下降的情况；与此同时，他们在飞行室中注入二氧化碳，更进一步模拟火星大气的组成。直升机起飞了，盘旋着，进行了一次可测量的左右移动。一个设想中的概念似乎即将成为现实。
最后，团队开始了机智号的建造和组装工作。令人紧张的最后一步是在一间洁净的房间里进行的，那里有经过严格消毒的设备和部件，以确保直升机不会携带任何生物污染物，毕竟它的任务是在火星上搜寻古代生命的迹象。

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机智号的火星工作计划
2月18日，当机智号直升机随毅力号抵达这颗红色星球时，它将面临干燥、寒冷的严酷环境，那里的夜间温度可能骤降至零下90摄氏度。在着陆后60到90天，如果一切顺利，毅力号将移动到较为平坦的地面，将机智号放下。当这架直升机在火星铁锈色的土地上停稳之后，毅力号将行驶到一个足球场以外的地方。
在接下来的30天里，机智号计划尝试5次飞行，难度会逐渐增加。当然，在另一个星球的历史性首飞将只是一个简单的盘旋。按照计划，机智号的每次飞行不超过3分钟，飞行高度约为3到5米，飞行距离可达300米。每次降落后，机智号将直接与毅力号通信。
“第一次在我们从未经历过的条件下飞行，这样的想法本身就令人惊叹， ”麻省理工学院的自主机器人研究者尼克·罗伊说， “你可以做所有你想做的测试和分析，但在一切工作结束之后，终于可以起飞了，在我们在地球上从未见到过的条件下飞行。 ”
如果一切进展顺利，机智号的试飞将在火星表面上穿越约500米的距离。尽管没有科学目标，但机智号携带了两个相机，或许可以从一个全新的角度提供火星的图像。通过这些图像，我们将了解未来的直升机将如何改变NASA在火星甚至其他星球上进行探索的能力。 “如果这项努力成功了，它将为我们探索火星表面提供一种全新方式， ”NASA总部机智号项目主管戴夫·拉弗里说， “比如，你会想知道下一座山那边是什么。 ”

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在喷气推进实验室，历史学家埃里克·康威的工作之一就是记录机智号的成就和磨难。他表示，想要更进一步探索火星表面，我们就必须以更快的速度覆盖更多的地面。 “我们在整个火星上着陆的东西还不到10件， ”他说， “如果你试图通过降落在10个地点的探测器来说服我，你知道关于地球的一切，我会嘲笑你的。 ”
Balaram表示，未来的火星直升机可能重达23千克，包括大约3.6千克的科学仪器，其外形可能类似于地球上的六轴无人机。
拉弗里表示，如果机智号成功在火星上实现了可控飞行，它就“打破了壁垒” 。换言之，如果我们能在火星上这么做，那在其他地方也可以这么做。 NASA已经在筹划一项名为“蜻蜓号”（Dragonfly）的任务，计划用其在土卫六“泰坦”（Titan）上寻找适合生物生存的环境与化学条件。蜻蜓号将是一架核动力旋翼直升机，因为土卫六上的大气更为稠密。
当然，所有这些可能性都取决于机智号在火星上的试飞情况。 “在火星上的第一次飞行将是决定性的最终测试， ”MiMi Aung说， “没人知道这项任务是否真的能实现，现在我们需要再进行一次飞行来证明这一点。 ”