6 月 24 日，據(jù)外媒報道，美國宇航局(NASA)的航天器即將在另一個星球上升空。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的事情：操控直升機(jī)穿過火星稀薄的大氣層。如果成功，這架名為獨創(chuàng)號(Ingenuity)的小型直升機(jī)將為未來的機(jī)器人探測器創(chuàng)造鳥瞰火星和太陽系其他星球的新途徑。

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

　　在火星上飛行面臨著諸多挑戰(zhàn)，因為那里沒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，從火星表面起飛相當(dāng)于在地球上 30480 米的高度飛行。地球上從來沒有直升機(jī)飛得那么高，這個海拔也是噴氣式客機(jī)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)同時前往火星，后者將是 NASA 派遣到這顆紅色星球上的第五輛機(jī)器人探測車。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)布會上，NASA 局長吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)在預(yù)覽毅力任務(wù)時，特別強(qiáng)調(diào)了獨創(chuàng)號的重要性。他說：“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(zhǔn)備觀看直升機(jī)在另一個世界上飛行。”

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

　　對于在另一個星球上的機(jī)器人探測器來說，四處移動的能力為它們提供了巨大的優(yōu)勢。行星科學(xué)家不再拘泥于盯著一個地方。探測車可以穿越這片風(fēng)景，停下來近距離觀察有趣的巖石。這種自由是獲得目前對早期火星理解的關(guān)鍵，即這顆現(xiàn)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)可能會在以后的任務(wù)中得到更廣泛的應(yīng)用。獨創(chuàng)號的主體部分大約與壘球大小相當(dāng)，有四條細(xì)長的腿伸出。兩組葉片(長約 10 厘米)以相反的方向旋轉(zhuǎn)。它只有 1.8 公斤重，高約 46 厘米。

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

　　巴拉拉姆說，時任噴氣推進(jìn)實驗室主任的查爾斯·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：“這讓我們繼續(xù)前進(jìn)。”

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

　　但米米·昂說，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想在技術(shù)上成為了可能。而將這種可能性轉(zhuǎn)化為一架正常功能的直升機(jī)花了研究人員數(shù)年時間進(jìn)行反復(fù)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(jī)被放置在一個房間里，那里的大部分空氣被吸出，以復(fù)制火星大氣的密度。因為還沒有編寫直升機(jī)飛行控制軟件，團(tuán)隊中的一名成員試圖用操縱桿來引導(dǎo)其運(yùn)動，就像業(yè)余愛好者駕駛無人機(jī)一樣。然而當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時，雖然直升機(jī)升起了，但隨后立即失去了控制。

　　領(lǐng)導(dǎo)空氣動力學(xué)和實現(xiàn)可控飛行工作的工程師哈瓦德·格里普(Havard Grip)說：“上述嘗試做了我們當(dāng)時必須做的事情，那就是讓其實際可以離開地面。因此，從這方面來說，這是一次成功的實驗。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，其中一個問題是，葉片在以每分鐘 2000 到 3000 轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)時會上下彈跳。在地球上，空氣對葉片的壓力會使彈跳最小化。但在火星稀薄的大氣中，彈跳造成了不穩(wěn)定，使得直升機(jī)的運(yùn)動很難控制。解決方案原來是讓葉片稍微堅硬一些，但這會增加重量。

　　格里普說：“我認(rèn)為，在早期找到一個合適的設(shè)計是最大的問題之一。”最終，他們找到了解決方案。他說：“當(dāng)你舉起這些葉片中的一個時，如果你把它拿在手里，你會認(rèn)為你要舉起某些實質(zhì)性的東西，而且它像空氣一樣輕，同時又極其堅硬，這是相當(dāng)令人震驚的。”

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

　　2016 年 5 月，下一架直升機(jī)原型準(zhǔn)備就緒。在模擬透明火星大氣層的同一個房間里，直升機(jī)上升，然后穩(wěn)定地盤旋并實現(xiàn)了軟著陸。有史以來第一次，一架直升機(jī)原型在模擬火星大氣條件下進(jìn)行了控制飛行，盡管它仍然連接著外部電源和計算機(jī)。

　　完整的設(shè)計，包括電池、高通驍龍?zhí)幚砥鳎c手機(jī)、通信系統(tǒng)和傳感器完全集成在一起，于 2018 年 1 月準(zhǔn)備就緒。為了模仿火星較弱的重力，一個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(zhǔn)將直升機(jī)添加到 NASA 的下一次火星探測任務(wù)中?，F(xiàn)在，毅力號的腹部貼附著獨創(chuàng)號，它正在為從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射進(jìn)行最后的準(zhǔn)備。

　　與此同時，米米·昂和她的團(tuán)隊正在進(jìn)行排練，一旦獨創(chuàng)號登上火星，他們將會做些什么。由于噴氣推進(jìn)實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電話會議完成的，所有的團(tuán)隊成員都在家里工作。

　　當(dāng)明年 2 月份，即毅力號登陸火星大約兩個月后，研究人員將對獨創(chuàng)號開始測試。毅力號會找到一個合適的平坦地方，把直升機(jī)釋放到地上，然后開到至少 100 米遠(yuǎn)的地方。米米·昂說：“直升機(jī)再也不會回到探測器中。”

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

　　首次飛行是上升數(shù)十厘米，盤旋 30 秒，然后著陸。隨后的飛行將會更長、更高、更遠(yuǎn)。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(yuǎn)，然后回到它開始的地方。它有兩個攝像頭：一個是向下的黑白攝像頭，用于跟蹤它所在的位置;另一個是彩色攝像頭，用于觀察風(fēng)景。這次飛行將持續(xù)一分半鐘。

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

　　NASA 已經(jīng)計劃向土星最大的衛(wèi)星 Titan(土衛(wèi)六)發(fā)射一架核動力旋翼機(jī)——蜻蜓號(Dragonfly)。但土衛(wèi)六的大氣層很厚，因此在那里飛行不會帶來與火星相同的技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　即使未來的直升機(jī)前往火星，它們幾乎可以肯定永遠(yuǎn)不會成為那里的宇航員可行的交通工具。米米·昂稱：“你不會想到把它擴(kuò)展到可以像在地球上那樣載人飛行的地方，畢竟那里沒有足夠的大氣。”
　?。?a href="http://www.nasamidwest.com/wechat/">邯鄲微信平臺）