在火星上飛行的直升機

南方周末特約撰稿　鞠強

來源?　NASA?/JPL?　Caltech

機智號火星直升機模型。

★人類歷史上第一架動力受控飛行器在地球以外的星球上成功完成了首次試飛，這開創了探索太空的新篇章。

北京時間2021年4月19日，美國國家航空航天局（NASA）的機智號（Ingenuity）火星直升機在火星成功完成了首次試飛，這是歷史上第一架在地球以外的星球上飛行的動力受控飛行器，開創了人類太空探索的新歷史。

2021年2月18日，毅力號火星車成功在火星表面著陸，已經陸續向地球發回火星照片和其他數據。NASA的這次火星任務備受關注，一個重要原因是與此前的好奇號等火星車不同，毅力號還同時攜帶了一架專為此次任務研發的機智號火星直升機。

NASA行星科學部主任洛里·格拉茲（Lori Glaze）在NASA官網上這樣評價機智號的意義：“1997年，當旅居者號火星車在火星表面著陸的時候，它證明了有可能在這顆紅色行星的表面進行漫游，并且徹底重新定義了我們探索火星的方式。同樣，我們也希望了解機智號對于科學研究的未來所具有的潛力。”

前所未有的挑戰

機智號直升機的高度為0.49米，旋翼翼展為1.2米，重量為1.8千克，造價8500萬美元，以太陽能作為能源，通過無線通信系統與毅力號火星車進行數據傳輸，配備有計算機、導航傳感器和兩臺相機（一臺彩色相機和一臺黑白相機）。

與一般被送往其他星球的探測器不同，機智號本身沒有搭載科學儀器，不承擔科學任務，它只是作為一臺測試設備，驗證在另一顆星球上進行有動力受控飛行的可能性。

在完成這次歷史性的飛行之前，機智號團隊在設計過程中克服了很多困難。正如機智號總工程師鮑勃·巴拉拉姆（Bob Balaram）所說：“從6年前開始，我們走過的每一步在飛行器的歷史上都是一片未知的領域。”

機智號方形機身的尺寸為20厘米×16厘米×14厘米，計算機、相機和電池都位于其中；而在機身外則是天線、太陽能電池板、起落架和2片旋翼。毅力號火星車的空間非常有限，因此如何安放這架直升機成為一個很大的挑戰。工程師們考慮了火星車車身上的每一處空間，最終決定把機智號放在火星車車身下部。

火星表面重力約為地球表面重力的三分之一，但是大氣的密度只有地球表面的1%，這樣就很難提供足夠的升力，因此機智號需要非常設計、制造得非常輕才能克服升力不足的影響。

在火星的白天，這顆星球能夠接收到的太陽能大約只有地球上白天能接收到的太陽能的一半。而在火星的夜晚，溫度會降低到零下90℃，這樣的低溫會損壞未受保護的電子器件。因此為了度過火星上極其寒冷的夜晚，機智號要有足夠的能量來供應機身內部的加熱器。

毅力號攜帶機智號在火星表面著陸后，兩個團隊就開始著手為試飛進行準備。3月21日，毅力號丟掉了在著陸過程中保護機智號的吉他盒形狀的由石墨復合材料制成的保護罩，試飛進入倒計時。

毅力號攜帶機智號到達進行首次試飛的起飛位置后，任務團隊開始了最后的沖刺。機智號的起飛位置被稱作“機場”，經過精心選擇。這個所謂的機場位于杰澤羅撞擊坑，10米見方，平坦且沒有障礙物；同時在機智號起飛后，稍遠處的毅力號能有良好的觀察視野。

精心設計的落地

在任務團隊確認毅力號已經到達它在“機場”中的合適位置后，啟動了釋放機智號的工作。負責銜接機智號與毅力號的主管法拉赫·阿里貝（Farah Alibay）在NASA官網上表示：“和同這架直升機有關的一切一樣，這種類型的工作此前從未進行過。一旦開始，就不能再回頭了。如果有跡象表明有什么地方不對勁，我們就會暫停1個火星日（1個火星日約合24小時39分鐘）甚至更長的時間，直到我們了解接下來會發生什么。”

毅力號攜帶機智號經歷了超過5億千米的星際旅行到達火星，而在降落過程中還使用了空中起重機這樣的先進技術。但對機智號團隊而言，順利地把機智號從毅力號釋放到火星表面卻是最大的挑戰，為此他們專門研發了火星直升機傳送系統。

在火星平坦的表面上，火星車車身底部離地間隙有67厘米。傳送系統占據了大約6厘米的高度，而直升機本身高49厘米，這樣機智號距離火星表面還有大約12厘米。這12厘米有限的空間就是擺在工程師面前的難題。但是他們發現，如果把機智號水平安放在車身下部，他們就有了足夠大的操作空間，于是采用了這個方案。

任務團隊用了大約6個火星日完成了把機智號部署到火星表面的工作。在這段時間里，機智號按部就班地完成了預先設定的操作。首先，工程師命令松開一個鎖緊機構——在從地面發射和降落到火星的過程中，這個裝置把直升機緊緊地固定在火星車車身下部。接下來，一個切斷繩索的裝置點火，使得固定直升機的彈簧臂開始把直升機從與車身底部水平的方向向垂直于車身（地面）的方向轉動。在這個過程中，一個小型電動馬達拉動這個彈簧臂。等彈簧臂鎖緊后，直升機機身就完全與地面垂直，它的兩個彈簧起落架也被打開。此后另一個裝置點火，放開另外兩個起落架。

在這些流程順利完成后，任務負責人命令傳送系統松開，這樣機智號就下落了12厘米，到達了火星表面。在確認下落完成后，任務團隊命令毅力號駛離機智號，機智號開始用太陽能電池板為自己的電池充電。從這一刻起，機智號正式開始了為期30個火星日的飛行測試。

創造歷史的起飛

根據NASA在3月下旬發布的消息，機智號的首次試飛時間不早于4月8日。隨后，NASA發布消息稱，機智號的首次試飛時間為美國東部時間4月11日。但在測試過程中發現了問題，測試時間被推遲到4月14日之后。地面控制中心的工程師發現飛行軟件存在漏洞，需要升級。在解決完這個問題后，項目團隊確定了首飛時間，即北京時間4月19日15時30分。

在位于美國加州理工學院噴氣推進實驗室（JPL）的機智號團隊決定開始進行試飛后，毅力號把接收到的最終飛行指令傳遞給了機智號。歷經漫長旅程到達火星并以非常精巧的方式完成釋放的機智號，其首飛過程實際上并不復雜：當螺旋槳達到2537轉/分的轉速后，機智號起飛，并以每秒1米的速度上升；在到達距離火星表面3米的高度后，機智號懸停了30秒，隨后下降并降落到火星表面。

在機智號完成首次試飛后的3個多小時后，毅力號就把機智號的第一批工程數據集以及火星車相機拍攝的圖片和影像通過在火星軌道上飛行的探測器傳回地球。機智號團隊正是通過這些數據確認機智號的首飛取得了成功。

在接下來的一個火星日里，首次飛行中收集到的其余工程數據以及機智號導航相機拍攝到的低分辨率黑白照片也會傳回噴氣推進實驗室。再過一個火星日，機智號上的高分辨率彩色相機拍攝的圖片也會傳回地球。機智號團隊將根據所有這些信息決定何時以及如何開展接下來的測試工作。根據計劃，機智號將在測試期內完成至多5次試飛。首飛成功后，機智號隨后的測試難度也會增加，會嘗試飛得更高、更遠，為以后的外星球飛行任務積累經驗。

機智號團隊還安排了向先驅致敬的彩蛋。他們用絕緣膠帶把1903年萊特兄弟駕駛飛上藍天的飛行者號上的一塊覆蓋機翼的材料纏在了機智號太陽能電池板下方的一根電纜上。萊特兄弟從1901年開始使用這種材料覆蓋他們的滑翔機和飛機的機翼，并在1903年完成了人類在地球上的首次動力受控飛行。

機智號直升機在火星表面成功起飛將進一步擴展人類探索火星的視野，同時擴大火星探索的范圍，為未來的任務賦予更多的可能性。未來的火星任務可以攜帶第一代直升機，為探索增加一個空中的維度。火星直升機可以作為登陸火星的航天員的偵察兵，攜帶小型的科學載荷，或者調查懸崖、洞穴、深坑以及其他航天員難以抵達的研究目標。

中國、阿聯酋和美國的火星探測器已經在2021年2月先后抵達火星，阿聯酋的希望號成功進入環繞火星的軌道，美國的毅力號成功在火星表面著陸，中國的天問一號將在5、6月間擇機在火星表面著陸，人類探索火星迎來一個新的高潮。能夠在另一個星球上起飛的飛行器，未來也會給我們帶來新的驚喜。