在火星上飞行的直升机

南方周末特约撰稿　鞠强

来源❘　NASA /JPL❘　Caltech

机智号火星直升机模型。

★人类历史上第一架动力受控飞行器在地球以外的星球上成功完成了首次试飞，这开创了探索太空的新篇章。

北京时间2021年4月19日，美国国家航空航天局（NASA）的机智号（Ingenuity）火星直升机在火星成功完成了首次试飞，这是历史上第一架在地球以外的星球上飞行的动力受控飞行器，开创了人类太空探索的新历史。

2021年2月18日，毅力号火星车成功在火星表面着陆，已经陆续向地球发回火星照片和其他数据。NASA的这次火星任务备受关注，一个重要原因是与此前的好奇号等火星车不同，毅力号还同时携带了一架专为此次任务研发的机智号火星直升机。

NASA行星科学部主任洛里·格拉兹（Lori Glaze）在NASA官网上这样评价机智号的意义：“1997年，当旅居者号火星车在火星表面着陆的时候，它证明了有可能在这颗红色行星的表面进行漫游，并且彻底重新定义了我们探索火星的方式。同样，我们也希望了解机智号对于科学研究的未来所具有的潜力。”

前所未有的挑战

机智号直升机的高度为0.49米，旋翼翼展为1.2米，重量为1.8千克，造价8500万美元，以太阳能作为能源，通过无线通信系统与毅力号火星车进行数据传输，配备有计算机、导航传感器和两台相机（一台彩色相机和一台黑白相机）。

与一般被送往其他星球的探测器不同，机智号本身没有搭载科学仪器，不承担科学任务，它只是作为一台测试设备，验证在另一颗星球上进行有动力受控飞行的可能性。

在完成这次历史性的飞行之前，机智号团队在设计过程中克服了很多困难。正如机智号总工程师鲍勃·巴拉拉姆（Bob Balaram）所说：“从6年前开始，我们走过的每一步在飞行器的历史上都是一片未知的领域。”

机智号方形机身的尺寸为20厘米×16厘米×14厘米，计算机、相机和电池都位于其中；而在机身外则是天线、太阳能电池板、起落架和2片旋翼。毅力号火星车的空间非常有限，因此如何安放这架直升机成为一个很大的挑战。工程师们考虑了火星车车身上的每一处空间，最终决定把机智号放在火星车车身下部。

火星表面重力约为地球表面重力的三分之一，但是大气的密度只有地球表面的1%，这样就很难提供足够的升力，因此机智号需要非常设计、制造得非常轻才能克服升力不足的影响。

在火星的白天，这颗星球能够接收到的太阳能大约只有地球上白天能接收到的太阳能的一半。而在火星的夜晚，温度会降低到零下90℃，这样的低温会损坏未受保护的电子器件。因此为了度过火星上极其寒冷的夜晚，机智号要有足够的能量来供应机身内部的加热器。

毅力号携带机智号在火星表面着陆后，两个团队就开始着手为试飞进行准备。3月21日，毅力号丢掉了在着陆过程中保护机智号的吉他盒形状的由石墨复合材料制成的保护罩，试飞进入倒计时。

毅力号携带机智号到达进行首次试飞的起飞位置后，任务团队开始了最后的冲刺。机智号的起飞位置被称作“机场”，经过精心选择。这个所谓的机场位于杰泽罗撞击坑，10米见方，平坦且没有障碍物；同时在机智号起飞后，稍远处的毅力号能有良好的观察视野。

精心设计的落地

在任务团队确认毅力号已经到达它在“机场”中的合适位置后，启动了释放机智号的工作。负责衔接机智号与毅力号的主管法拉赫·阿里贝（Farah Alibay）在NASA官网上表示：“和同这架直升机有关的一切一样，这种类型的工作此前从未进行过。一旦开始，就不能再回头了。如果有迹象表明有什么地方不对劲，我们就会暂停1个火星日（1个火星日约合24小时39分钟）甚至更长的时间，直到我们了解接下来会发生什么。”

毅力号携带机智号经历了超过5亿千米的星际旅行到达火星，而在降落过程中还使用了空中起重机这样的先进技术。但对机智号团队而言，顺利地把机智号从毅力号释放到火星表面却是最大的挑战，为此他们专门研发了火星直升机传送系统。

在火星平坦的表面上，火星车车身底部离地间隙有67厘米。传送系统占据了大约6厘米的高度，而直升机本身高49厘米，这样机智号距离火星表面还有大约12厘米。这12厘米有限的空间就是摆在工程师面前的难题。但是他们发现，如果把机智号水平安放在车身下部，他们就有了足够大的操作空间，于是采用了这个方案。

任务团队用了大约6个火星日完成了把机智号部署到火星表面的工作。在这段时间里，机智号按部就班地完成了预先设定的操作。首先，工程师命令松开一个锁紧机构——在从地面发射和降落到火星的过程中，这个装置把直升机紧紧地固定在火星车车身下部。接下来，一个切断绳索的装置点火，使得固定直升机的弹簧臂开始把直升机从与车身底部水平的方向向垂直于车身（地面）的方向转动。在这个过程中，一个小型电动马达拉动这个弹簧臂。等弹簧臂锁紧后，直升机机身就完全与地面垂直，它的两个弹簧起落架也被打开。此后另一个装置点火，放开另外两个起落架。

在这些流程顺利完成后，任务负责人命令传送系统松开，这样机智号就下落了12厘米，到达了火星表面。在确认下落完成后，任务团队命令毅力号驶离机智号，机智号开始用太阳能电池板为自己的电池充电。从这一刻起，机智号正式开始了为期30个火星日的飞行测试。

创造历史的起飞

根据NASA在3月下旬发布的消息，机智号的首次试飞时间不早于4月8日。随后，NASA发布消息称，机智号的首次试飞时间为美国东部时间4月11日。但在测试过程中发现了问题，测试时间被推迟到4月14日之后。地面控制中心的工程师发现飞行软件存在漏洞，需要升级。在解决完这个问题后，项目团队确定了首飞时间，即北京时间4月19日15时30分。

在位于美国加州理工学院喷气推进实验室（JPL）的机智号团队决定开始进行试飞后，毅力号把接收到的最终飞行指令传递给了机智号。历经漫长旅程到达火星并以非常精巧的方式完成释放的机智号，其首飞过程实际上并不复杂：当螺旋桨达到2537转/分的转速后，机智号起飞，并以每秒1米的速度上升；在到达距离火星表面3米的高度后，机智号悬停了30秒，随后下降并降落到火星表面。

在机智号完成首次试飞后的3个多小时后，毅力号就把机智号的第一批工程数据集以及火星车相机拍摄的图片和影像通过在火星轨道上飞行的探测器传回地球。机智号团队正是通过这些数据确认机智号的首飞取得了成功。

在接下来的一个火星日里，首次飞行中收集到的其余工程数据以及机智号导航相机拍摄到的低分辨率黑白照片也会传回喷气推进实验室。再过一个火星日，机智号上的高分辨率彩色相机拍摄的图片也会传回地球。机智号团队将根据所有这些信息决定何时以及如何开展接下来的测试工作。根据计划，机智号将在测试期内完成至多5次试飞。首飞成功后，机智号随后的测试难度也会增加，会尝试飞得更高、更远，为以后的外星球飞行任务积累经验。

机智号团队还安排了向先驱致敬的彩蛋。他们用绝缘胶带把1903年莱特兄弟驾驶飞上蓝天的飞行者号上的一块覆盖机翼的材料缠在了机智号太阳能电池板下方的一根电缆上。莱特兄弟从1901年开始使用这种材料覆盖他们的滑翔机和飞机的机翼，并在1903年完成了人类在地球上的首次动力受控飞行。

机智号直升机在火星表面成功起飞将进一步扩展人类探索火星的视野，同时扩大火星探索的范围，为未来的任务赋予更多的可能性。未来的火星任务可以携带第一代直升机，为探索增加一个空中的维度。火星直升机可以作为登陆火星的航天员的侦察兵，携带小型的科学载荷，或者调查悬崖、洞穴、深坑以及其他航天员难以抵达的研究目标。

中国、阿联酋和美国的火星探测器已经在2021年2月先后抵达火星，阿联酋的希望号成功进入环绕火星的轨道，美国的毅力号成功在火星表面着陆，中国的天问一号将在5、6月间择机在火星表面着陆，人类探索火星迎来一个新的高潮。能够在另一个星球上起飞的飞行器，未来也会给我们带来新的惊喜。