NASA“机智号”火星直升机在火星表面升空飞行写下历史：首度在其他行星飞行

机智号直升机在首次飞行时悬停于火星地表上方约3公尺处，直升拍摄下这张直升机阴影的机火影像。 PHOTO BY NASA

NASA的史首毅力号探测车于4月6日与机智号直升机在火星上的自拍照。接着毅力号驶向了61公尺外的飞行高处，俯瞰机智号尝试进行飞行。机智号 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH/MSSS

机智号的团队成员于2019年2月1日在加州帕沙第纳（Pasadena）NASA喷射推进实验室7.6公尺宽的真空室「太空模拟室」（Space Simulator）内检查直升机。 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH

2020年4月29日，NASA的工程师正在进行毅力号探测车的行前准备工作，它将前往4亿8000万公里旅程外的火星表面。在影像中可以看到毅力号探测车的底部和贴附的机智号直升机（影像的下部中央）。 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH

2021年3月21日是飞行任务的第30个火星日，从毅力号探测车的底部释放了保护机智号直升机的碎片保护罩。直升机稍后将向下旋转，脱离探测车的底部。 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH/MSSS

在火星表面的NASA机智号直升机。这张照片是在4月5日由毅力号的桅杆相机-Z（Mastcam-Z）所拍摄的，这是探测车上的一对可变焦相机。 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH/ASU

1903年12月17日，奥维尔．莱特（Orville Wright）在他的兄弟威尔伯（Wilbur）在北卡罗来纳州的小鹰镇（Kitty Hawk）进行了地球上的首次受控动力飞行，这张影像纪录了当时的情形。莱特兄弟在那天进行了四次飞行，每次飞行的时间都比上一次更久。 NASA的机智号火星直升机还带了机翼上的一小片织布飞往火星。 NASA
（神秘的地球uux.cn报道）据美国国家地理（撰文：JAY BENNETT 编译：邱彦纶）：机智号（Ingenuity）在火星表面升空飞行，为行星探索开创新纪元。
在4月19日下午，有架小型直升机在从火星表面起飞，开启了太空探索的新篇章──人类首度于其他行星进行动力飞行。 50公分高的机智号直升机在飞离地面约3公尺时，扬起了一些锈红色的尘土，悬停定位并略微转向后缓慢降落。整段飞行只持续了大约40秒，但这是史上极为大胆的工程壮举。
「很多人认为不可能在火星上飞行，」美国航太总署（NASA）喷射推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL）的机智号计画主管翁米米（MiMi Aung，音译）说：「火星上的空气太少了。」
火星表面的大气非常稀薄，相当于地球上3万公尺高空的情形，这个高度远超过最强大直升机所能飞行的高度。历史上，直升机的最高飞行纪录是在1972年所创下，法国飞行员尚．布勒（Jean Boulet）在马赛（Marseille）西北的空军基地飞到了1万2442公尺的高空。
这架火星直升机在4月9日遭遇了一些麻烦。在测试两个旋翼高速转动的情况时，直升机上的电脑提前关机。喷射推进实验室团队在查看数据后，调整了发送启动旋翼的命令序列，让机智号能在4月16日完成高速转动测试。而在台湾时间4月19日下午3点34分，也是火星当地时间的下午，这架直升机成功完成了首飞任务。
将来，类似的飞行器可能会为探测车和太空人侦察新的区域，前往难以抵达之处收集样本，并在几天内飞越数十公里，为火星地貌提供崭新视野。
自4月3日汽车大小的毅力号（Perseverance）探测车将机智号放置在没有碎片的平坦区域之后，机智号就开始独自运作。机智号在地球上的重量只有1.8公斤，在火星上更只有680克。在火星白天相对较弱的日照下，小型太阳能电池板可为直升机电池充电，而在气温陡降至摄氏零下90度的夜晚，则利用电热器为直升机保暖。
为了在火星大气进行短暂首飞，这架小型旋翼机配备了类似我们手机内的中央处理器、自驾车的自动导航技术、八个锂离子电池和轻型复合材料。两个长120公分的碳纤维旋翼得达到每分钟约2500转的转速──大约是普通直升机旋翼速度的五倍──才能飞离地表。
团队成员在机智号的首飞后，开始着手计画第二次飞行。下次可能会执行相同的悬停操作，但会飞得更高也更久。能够使用毅力号作为对地球通讯中继站的直升机测试窗口有31天，现在大约位于一半的时间点，之后探测车就会驶离并开始搜索火星过去的生命迹象。团队计画在沿着15公尺长的区域内，最多进行五次的往返飞行。
「这真是让人难以置信，」NASA科学副署长汤玛斯．泽布谦（Thomas Zurbuchen）表示：「这是人类史上首度在火星上飞行直升机。」
「别再跟我说不可能了！」
2015年，火星直升机团队正准备向NASA总部简报，以寻求经费来建造「降低风险的运载工具」（risk reduction vehicle）原型。当时他们已经在喷射推进实验室的真空室内飞行、并撞毁了三分之一比例的模型。测试时会将真空室的空气抽至低压并灌满二氧化碳，以模拟火星的大气环境。
翁米米在准备简报时，忽然灵光一闪。人类无法直接操纵这架直升机，因为它将在数亿公里外的其他行星上飞行，而且地球与火星之间约有15分钟的通讯延迟。也就是说，直升机必须自行飞行，这表示要开发一种轻量电脑，以快速估算直升机的位置并据此调整旋翼。
翁米米说：「这取决于直升机对扰动的反应速度。」 直升机可能会面临高达每小时35公里的阵风以及压力的变化，这让直升机很难在稀薄的空气中保持稳定飞行。
但翁米米知道这是她的团队可以解决的问题。他们已经利用三分之一比例模型证明直升机在火星起飞的可能性，而专精自动技术的电机工程师翁米米知道，21世纪的电子技术已经足以制造出能让直升机飞行的小型电脑。
「从那刻之后，简直就像是──别再跟我说不可能了！」翁米米说：「 还有什么能阻挡我们呢？」
但要让NASA总部信服可不只是一次简报就能做到，他们提供经费建造了在2016年进行了一连串测试的原型机。首先是将直升机固定在真空室内的定点，转动旋翼并测量转矩和升力，以确保数学与团队模型相符。
但是当原型机定位时，来自旋翼的力量可能会与地面和测试台交互作用。这种交互作用展生的振动可能会影响直升机的控制系统，并让直升机碎裂──和造成真实大小直升机在尝试起飞时碎裂的效应相同。
「我们有可能会失去一切，」翁米米说：「如果我们在任何时候发生这样的情形，那计画可能会被取消。」就算计画继续进行，但当时若是测试失败可能会使团队无法及时完成直升机，让它得以贴着探测车底部飞上火星。毅力号探测车预定于2020年7月地球和火星处于最佳相对位置时发射，「不管有没有我们的直升机，毅力号都会出发。」
测试成功、数学也没错。这架原型机能在真空室中飞行、悬停、转向和降落，这表示直升机不仅可以在火星上起飞，还能自动控制飞行。
「我们解决了空气动力学上的挑战，」机智号的总工程师包伯．巴拉雷姆（Bob Balaram）回忆起当时的想法， 「现在我们要来打造直升机的其他部分了。」
碳纤维和钓鱼线
质量是飞行的大敌，尤其是在火星上。机智号直升机每增加1克，都会使旋翼必须产生的升力和推力增加。
「直升机得要非常轻量，」直升机副营运长泰迪．扎内托斯（Teddy Tzanetos）表示：「机智号的质量是1.8公斤，要将我们所有需要的东西塞进这1.8公斤里，真是项工程壮举。」
直升飞机的大部分零件，包括旋翼、起落架和机身（装有电子设备的小盒），都是由位于加州西米谷的航空承包商AeroVironment公司所制造。这家公司为NASA制造军用无人机及实验飞机，像是有着以太阳能板作为动力的飞翼「太阳神号」（Helios）──与直升机不同，它的飞行高度可高达约3万公尺。
机智号的两个碳纤维旋翼以相反的方向转动，抵消了单旋翼直升机的转矩（单旋翼直升机利用尾桨来抵消主旋翼产生的转矩）。这些旋翼不仅要够大、非常轻巧，而且还要非常硬挺，以免因为晃动而破坏气流。
「同样也是由碳纤维制成的起落架，是另一个『有趣的挑战』，」自计画开始就参与火星直升机工作的AeroVironment资深航空机械工程师班．皮彭伯格（Ben Pipenberg）这么说。
他说：「火星上的重力约为地球上的三分之一，着陆时得非常小心才不会反弹。」起落架也必须折叠收起，这样机智号才能紧贴着毅力号的车底下方飞向火星。 「如果在放下直升机时起落架没有打开，或是直升机着陆时因反弹而翻转──那非常不幸，一切都完了。
火星的重力也带来了其他挑战──无法在地球上完美模拟火星环境。 2018年，团队在喷射推进实验室的真空室内测试了机智号直升机的原尺寸同型机，他们抽气让大气压力减弱，并打入适当气体以模拟火星上的大气环境。但重力就无法调整了，为此他们使用了所谓的「重力卸载系统」（gravity offload system）来补偿。
「你可以把这个系统想像成是个有着钓线的钓鱼线轴、马达和非常精确的转矩感测器。」扎内托斯这么说，这条线用「非常牢固的结」与直升机相系，还有数个做为备用的绳结，线轴以非常准确的力道向上拉起直升机，以模拟火星的低重力环境。
第二台完整的原型机完成了环境测试，证明它可以承受火箭发射的振动和火星夜晚的严寒温度。 2019年初，团队已经建造出要前往火星的实机，并在真空室中进行了两次飞行能力测试。
翁米米在测试后说：「下一趟飞行，就是在火星上了。」
「上百架直升机翱翔在火星上空」
现在机智号完成了首次飞行，我们距离将飞行用作行星探索的例行工作，又再更近一步。翁米米表示：「我的梦想是飞行器能成为探索太空的标准配备。」
该团队认为机智号相当于飞机版的旅居者号（Sojourner）探测车，旅居者号在1997年成为首度在火星行驶的车辆。和机智号一样，旅居者号由更大的火星拓荒者号（Mars Pathfinder）登陆器带往火星。
「科学界并不喜欢它，」泽布谦提到旅居者号时这么说：「他们觉得，嘿，我们用登陆器就能完成所有我们想做的事情了。」
不到25年后的现在，NASA就有不只一辆、而是两辆汽车大小的探测车正在火星表面探索。 2012年登陆的好奇号（Curiosity）探测车和毅力号都在解密这颗行星独特的地质历史，并寻找过往生命所遗留下来的痕迹。毅力号还预备要收集第一批将返回地球的火星岩石样本，这对我们最后要了解​​火星是否曾经适合生命生存来说至关重要。
未来的直升机可能会成为探测车或什至人类的侦察兵，他们可以探索火星车和人类根本无法抵达的区域──像是绵延4000多公里的水手号峡谷（Valles Marineris），或是约两倍半圣母峰高度的奥林帕斯山（Olympus Mons）陡坡。
「我可以想像有上百架直升机翱翔在火星上空的场景。」在 2001年至2016年担任喷射推进实验室负责人的查尔斯．埃拉奇（Charles Elachi）这么说，在他任内负责启动了火星直升机的计画。 「我可以预见未来有个任务会是有台着陆器，上面有好几十架直升机，这些直升机将飞越巡查一大片区域，并带回样本。」
埃拉奇说，喷射推进实验室团队已经在思考建造更大型的直升机，能够携带更重的酬载并探测更广大的区域。 「探测车一年可以走好几公里，但直升机一天就可以飞越好几公里，」他说：「可能的效益非常大。」
目前，团队将仔细研究首次飞行的数据，以计画机智号的其他飞行──也许还需要一些时间来思考未来在其他行星上飞行的飞行器。 「只要有大气，我们就可以在任何地方飞行，」翁米米表示：「这应该成为我们派遣旋翼机探索其他星球的标准规范。」

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