1903年12月17日，地球。萊特兄弟駕駛著(zhù)比空氣重的“飛行者一號”飛機，實(shí)現了在地球大氣中持續且受控的動(dòng)力飛行，人類(lèi)從此進(jìn)入飛行時(shí)代。飛機極大拓展了人類(lèi)四肢能夠延展的空間，推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)入全球化時(shí)代。

　　人類(lèi)飛行器兩次劃時(shí)代意義的突破（圖源：公共版權）

　　2021年4月19日，火星。在預裝軟件控制下，“機智號”直升機在火星大氣中完成了30秒懸停，這是人類(lèi)飛行器首次在地外天體大氣中持續且受控的動(dòng)力飛行，標志著(zhù)人類(lèi)深空探測進(jìn)入嶄新的“飛行”時(shí)代。

　　一、承前啟后：人類(lèi)火星探測的新維度

　　火星是地球的近鄰，是顆類(lèi)地行星，與地球有著(zhù)相似的演化歷史與未來(lái)。這里有大氣、水、有機物的存在，表面積與地球陸地總面積接近，各類(lèi)資源豐富。它處在太陽(yáng)系內宜居帶上，關(guān)于火星生命的探尋一直是探測焦點(diǎn)之一。因此，這里也集中了人類(lèi)對行星際空間探測的技術(shù)極致。

　　機智號為人類(lèi)新增了一種火星探測技術(shù)方案（圖源：作者繪制）

　　在機智號出現之前，共有四種火星探測方案。驚鴻一瞥的“飛掠”，登高望遠的“環(huán)繞”，觀(guān)天測地的“降落”和自由移動(dòng)的“巡視”，整體難度越來(lái)越大。

　　其中，“飛掠”任務(wù)僅是早期技術(shù)不成熟或其他任務(wù)兼職探測火星時(shí)使用。環(huán)繞器能全方位研究火星和中繼信號，但無(wú)法詳細研究火星表面；著(zhù)陸器能仔細研究火星表面的各種細節，但無(wú)法移動(dòng)；巡視器（火星車(chē)）可以隨處移動(dòng)，但速度略慢，例如好奇號火星車(chē)在著(zhù)陸9年內才爬行了25.1千米，平均每天行駛距離還不足8米。

　　按照任務(wù)復雜度和實(shí)際預算對比，常規任務(wù)的邏輯基本是“環(huán)繞的比不過(guò)著(zhù)陸的，著(zhù)陸的比不過(guò)巡視的”。而機智號成功后，則有能力為這個(gè)邏輯再加一句“巡視的比不過(guò)飛行的”。因為它能在3-5米的空中飛行，最大水平速度可以達到10米/秒，單次飛行往返距離可達100米級別，遠超火星車(chē)的能力范圍。

　　這是火星探測前所未有的新技術(shù)，大幅拓展了研究空間尺度和可獲取的信息量。毅力號火星車(chē)和機智號直升機組合，也代表了火星探測的新高度。

　　二、乘風(fēng)而起：超級集成機身，超強動(dòng)力系統

　　前往火星是第一道難關(guān)。不過(guò)機智號并不是個(gè)獨立任務(wù)，它主要依托于毅力號火星車(chē)，在前往火星之旅中它處于折疊狀態(tài)并被保護起來(lái)，牢牢固定在毅力號底部，毅力號通過(guò)“臍帶”為它提供能量和技術(shù)支持。在確認測試區域后，機智號才展開(kāi)并被釋放到火星表面，與毅力號僅通過(guò)天線(xiàn)保持無(wú)線(xiàn)溝通。

　　抵達火星后，處于折疊狀態(tài)（左）和展開(kāi)待釋放狀態(tài)（右）的機智號（圖源：NASA）

　　火星表面白天氣溫可以超過(guò)20攝氏度，夜晚時(shí)可以低到100攝氏度以下，晝夜溫差巨大?；鹦堑拇艌?chǎng)極弱，抵御強烈宇宙輻射的效果近乎為零，輻射環(huán)境復雜。早在火箭發(fā)射和著(zhù)陸火星階段，機智號還要面對劇烈的振動(dòng)和沖擊。因此，能順利踏上火星表面并獨立生存的機智號，可謂已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)重重磨難的洗禮。

　　在火星上飛行并非易事，最大挑戰在于火星表面的空氣密度和氣壓還不足地球表面的1%，且變動(dòng)較大，這相當于地球在約30千米高度的大氣狀態(tài)。而在地球上，珠穆朗瑪峰的高度就已經(jīng)是直升機的飛行禁區。為此，科學(xué)家們需要解決一系列棘手的問(wèn)題。

　　機智號火星直升機的大致組成（圖源：NASA+作者注釋?zhuān)?/p>

　　首先，要盡可能減輕重量，這是任務(wù)成功的關(guān)鍵，對于要攜帶眾多核心結構和儀器的機智號也是最大的挑戰。小小的機智號上，需要很多必備部件。例如，一片用以獲取能量的太陽(yáng)能電池板，兩對用來(lái)提供足夠升力、直徑達1.2米的碳纖維旋翼和驅動(dòng)電機，六塊用以?xún)Υ嫣?yáng)能和給所有儀器設備供電的特制鋰離子電池，一個(gè)裝載所有核心處理設備、溫控系統和控制系統等的機身，一臺高清相機等科研儀器，一個(gè)通信天線(xiàn)，一套融合了慣性傳感器、太陽(yáng)敏感器、視覺(jué)里程計、導航相機和激光高度計等的復雜導航系統，以及四條支撐腿等核心結構。它還要高度智能，因為地火距離導致的通信時(shí)延使得人類(lèi)不可能控制它飛行。

　　所有的設計都必須做到盡量輕、強度高、耐沖擊、耐振動(dòng)、耐溫差、耐輻射，最后的機智號被“濃縮”為整體質(zhì)量?jì)H有1.8千克的“小不點(diǎn)”，是科研人員們“絞盡腦汁”的成果?？紤]到它8500萬(wàn)美元獨立預算，平均每克的成本高達4.7萬(wàn)美元/克，是黃金單價(jià)的近1000倍！

　　動(dòng)圖：在正式飛行測試前，機智號已經(jīng)進(jìn)行了旋翼旋轉測試并被毅力號記錄下來(lái)（圖源：NASA）

　　其次，要盡可能獲得大且穩定的升力。機智號的碳纖維旋翼被設計成了共軸反轉式系統，這種設計傳動(dòng)系統更加簡(jiǎn)單，可以回避掉常規直升機必須攜帶的尾槳，再加上可折疊設計，讓占用的體積空間大幅減少。同時(shí)，共軸旋轉的轉動(dòng)慣量小，抗側風(fēng)能力更強，懸停和飛行狀態(tài)更加穩定，非常適合機智號的應用需求。不過(guò)這些設計還是不夠，“天下武功，唯快不破”，它需要大幅增加轉速以滿(mǎn)足升力需求。它的設計轉速高達2400轉/分，極限情況下甚至可以做到更高，這已經(jīng)遠超地球上直升機的旋轉速度。

　　預計飛行效果圖（圖源：NASA）

　　不過(guò)，這里如果要寫(xiě)個(gè)致謝，首要功臣還應該是火星。它表面的引力加速度僅為地球的38%左右，這讓機智號的重量?jì)H相當于在地球上0.7千克物體對應的重量，這是它能飛起來(lái)的核心原因。

　　三、科學(xué)目標：技術(shù)測試為主，為未來(lái)任務(wù)帶來(lái)希望

　　機智號身背諸多“人類(lèi)首次”。最核心的使命是完成技術(shù)測試，預計在任務(wù)期間內完成5次飛行任務(wù)，為火星探測和地外天體探測探索新的技術(shù)維度。因此，它的科學(xué)研究功能并不復雜，主要聚焦于拍攝高分辨率地面圖像，發(fā)回毅力號。由于近乎貼地飛行，它核心科學(xué)相機拍攝的彩色圖片覆蓋范圍更廣、分辨率更高，對于了解毅力號周邊環(huán)境有很大意義，相當于為它賦予了一雙“火眼金睛”。然而，僅5次飛行任務(wù)，還包括首飛的短期懸停測試，可想而知并不能真正提升毅力號的研究能力。飛行期間，毅力號還要聚焦于它，為它留下火星飛行的美麗合影。

　　未來(lái)的蜻蜓號泰坦探測器，將完全顛覆人類(lèi)對地外天體探測的技術(shù)途徑（圖源：NASA）

　　這次測試任務(wù)的成功，不僅徹底打開(kāi)了人類(lèi)對于火星探測的技術(shù)發(fā)展空間，也為其他帶有大氣層的地外天體探測開(kāi)辟了新思路，甚至可能成為主要探測方式。例如，泰坦是土星最大的衛星，那里有著(zhù)稠密的氮氣和甲烷主導的大氣，惠更斯號著(zhù)陸器曾經(jīng)在2005年實(shí)現了著(zhù)陸的偉大壯舉。在未來(lái)的任務(wù)規劃中，美國宇航局（NASA）已經(jīng)確定了“蜻蜓號”任務(wù)，它就是個(gè)純粹的飛行器，利用旋翼飛行系統探索泰坦的大氣和地表，預計收獲的科研價(jià)值遠超定點(diǎn)著(zhù)陸器。人類(lèi)所熟知的金星，是個(gè)大氣密度遠超地球的地方，飛行器也是探測它的最佳方案之一。此外，木星、土星、天王星、海王星，也都擁有濃密大氣層，未來(lái)的探測器設計思路，也會(huì )被這次火星飛行測試成功所影響。

　　機智號也攜帶著(zhù)118年前“飛行者一號”前輩的火星飛行夢(mèng)想（圖源：NASA）

　　讓人欣慰的是，科學(xué)家們也把一份極致的浪漫通過(guò)機智號帶到火星。機智號太陽(yáng)能電池板下的一條電纜上，覆蓋的是一小片“飛行者一號”機翼上覆蓋用的蒙皮。時(shí)隔118年后，它見(jiàn)證了人類(lèi)飛行夢(mèng)想在另一顆星球的起飛。未來(lái)，人類(lèi)的星辰大海之旅還將見(jiàn)證越來(lái)越多的飛行奇跡。

　　這些珍貴的探測器，不僅為人類(lèi)延展了四肢，讓我們能跨越時(shí)空觸碰這些星球。還為人類(lèi)延展了大腦，讓我們時(shí)刻憧憬著(zhù)星辰大海的夢(mèng)想。

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