6 月 24 日，據外媒報道，美國宇航局(NASA)的航天器即將在另一個星球上升空。作為今年夏天進行的火星探索任務的一部分，NASA 將嘗試做些以前從未做過的事情：操控直升機穿過火星稀薄的大氣層。如果成功，這架名為獨創號(Ingenuity)的小型直升機將為未來的機器人探測器創造鳥瞰火星和太陽系其他星球的新途徑。

　　NASA 噴氣推進實驗室火星直升機項目經理米米·昂(Mimi Aung)說：“這與萊特兄弟首次駕駛飛機進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行。”

　　在火星上飛行面臨著諸多挑戰，因為那里沒有太多的空氣可以產生足夠升力。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于在地球上 30480 米的高度飛行。地球上從來沒有直升機飛得那么高，這個海拔也是噴氣式客機通常飛行高度的兩倍多。

　　獨創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器人探測車。這項任務計劃于 7 月 20 日發射，也是今年前往火星的三項任務之一。

　　在上周的新聞發布會上，NASA 局長吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)在預覽毅力任務時，特別強調了獨創號的重要性。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備觀看直升機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)任務包括了對 NASA 來說具有革命性的東西：一個輪式機器人，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遇號于 2004 年抵達火星，然后好奇號在 2012 年抵達那里。

　　對于在另一個星球上的機器人探測器來說，四處移動的能力為它們提供了巨大的優勢。行星科學家不再拘泥于盯著一個地方。探測車可以穿越這片風景，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鍵，即這顆現在又冷又干的星球曾經是潮濕的，至少擁有些可能適合生命居住的環境。

　　獨創號本質上是旅居者號的空中版本，它展示了一種新技術，這種技術可能會在以后的任務中得到更廣泛的應用。獨創號的主體部分大約與壘球大小相當，有四條細長的腿伸出。兩組葉片(長約 10 厘米)以相反的方向旋轉。它只有 1.8 公斤重，高約 46 厘米。

　　這款火星直升機的總工程師鮑勃·巴拉拉姆(Bob Balaram)早在 20 世紀 90 年代就開始與同事合作研究這個想法。他說：“這種技術并沒有真正發揮作用，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，時任噴氣推進實驗室主任的查爾斯·埃拉奇(Charles Elachi)對此產生了興趣，并為進一步研究提供了資金。他說：“這讓我們繼續前進。”

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

　　但米米·昂說，有些技術進步，比如電子產品的微型化、儲存更多能量的電池，以及可以做成輕質葉片的材料，終于讓火星飛行器的夢想在技術上成為了可能。而將這種可能性轉化為一架正常功能的直升機花了研究人員數年時間進行反復試驗。

　　到 2014 年底，工程師們已經建造出小型原型。這架微型直升機被放置在一個房間里，那里的大部分空氣被吸出，以復制火星大氣的密度。因為還沒有編寫直升機飛行控制軟件，團隊中的一名成員試圖用操縱桿來引導其運動，就像業余愛好者駕駛無人機一樣。然而當槳葉旋轉時，雖然直升機升起了，但隨后立即失去了控制。

　　領導空氣動力學和實現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 轉的速度旋轉時會上下彈跳。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，彈跳造成了不穩定，使得直升機的運動很難控制。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：“我認為，在早期找到一個合適的設計是最大的問題之一。”最終，他們找到了解決方案。他說：“當你舉起這些葉片中的一個時，如果你把它拿在手里，你會認為你要舉起某些實質性的東西，而且它像空氣一樣輕，同時又極其堅硬，這是相當令人震驚的。”

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

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

　　完整的設計，包括電池、高通驍龍處理器，與手機、通信系統和傳感器完全集成在一起，于 2018 年 1 月準備就緒。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 批準將直升機添加到 NASA 的下一次火星探測任務中。現在，毅力號的腹部貼附著獨創號，它正在為從佛羅里達州卡納維拉爾角發射進行最后的準備。

　　與此同時，米米·昂和她的團隊正在進行排練，一旦獨創號登上火星，他們將會做些什么。由于噴氣推進實驗室因受新型冠狀病毒疫情影響而基本上關閉，所有的工作都是通過電話會議完成的，所有的團隊成員都在家里工作。

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

　　在隨后的 30 天內，直升機將進行最多 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。

　　首次飛行是上升數十厘米，盤旋 30 秒，然后著陸。隨后的飛行將會更長、更高、更遠。在第五次飛行中，如果一切正常，獨創號將升空約 4.6 米，飛出 150 米遠，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，用于觀察風景。這次飛行將持續一分半鐘。

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

　　NASA 已經計劃向土星最大的衛星 Titan(土衛六)發射一架核動力旋翼機——蜻蜓號(Dragonfly)。但土衛六的大氣層很厚，因此在那里飛行不會帶來與火星相同的技術挑戰。

　　即使未來的直升機前往火星，它們幾乎可以肯定永遠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。”
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