飞向宇宙更深处

灵巧号：地外无人机探测先驱

2021年4月19日，对许多人来说只是普通的一天，但这一天实际上是人类首次在其他星球上起飞的日子。完成这一壮举的，便是搭载于毅力号火星探测器腹部一同登陆火星的灵巧号火星直升机。

灵巧号是NASA（美国国家航空和航天局）研制的一架无人直升机，作为火星2020任务的一部分，于2021年2月18日抵达火星。它由NASA喷气推进实验室与宇航环境公司等多家机构合作设计，目的是验证在火星极其稀薄的大气层中进行飞行的可能性。

在历时两个月，经历数次测试与调整之后，灵巧号终于从毅力号的腹部展开旋翼，首次飞上火星的天空，成为首个在地外行星进行动力飞行的飞行器。虽然灵巧号仅在3米高的低空中悬停了40秒，但这次飞行无疑是人类地外探索的重要里程碑。

最初，灵巧号只计划进行5次飞行，并且在设计上，每次飞行持续时间最多90秒，飞行高度为3～5米，最远可以向前飞行50米，然后返回起点区域。但这一指标在它第四次飞行时被打破了。最终，它完成了72次飞行，总飞行时长达2小时8分48秒，覆盖了超过17千米的距离。这些飞行任务为毅力号火星探测器提供了重要的侦察信息，帮助改进导航和任务规划，以避开危险。

灵巧号的成功离不开其背后复杂的准备和技术测试。早在2016年，NASA就在模拟火星大气的环境中进行了原型机的飞行测试。2019年，研究人员模拟了火星的大气和重力条件，在地球上对灵巧号的初步设计模型进行了一系列测试。研究人员使用了一个大型真空室来模拟火星极低的大气压——用二氧化碳将内部气体体积填充至大约0.6%（约为地球海平面标准大气压的1/160），这相当于地球大气在3.4万米的高度时才具有的稀薄程度，而地球上的直升机往往很难到达5000米以上的高度，即使是法国拉玛号SA-315B创下的飞行纪录，到达的高度也仅为12442米。为了模拟火星大大减弱的重力场（仅有地球的38%），在飞行测试期间，研究人员通过一根挂在上方的绳子抵消了62%的地球重力。在测试过程中，研究人员还使用了由近900台计算机控制的风扇组成的“风墙”来提供风力，以模拟火星表面复杂的大气环境。尽管面临诸多技术挑战，但研究人员仍通过不断的测试和改进，最终确保了灵巧号的飞行稳定性和安全性。

在火星表面经历超过1000个火星日、72次飞行和一次艰难的着陆之后，这架重达1.8千克的直升机在着陆时损坏了旋翼，从此只能保持静止状态。告别从来不是一件易事，尤其当对方在另一个遥远的世界时。在主要任务结束后，灵巧号仍然在作为一个气象站和技术测试平台运行。

灵巧号和毅力号火星探测器在过去的几年里一起探索了耶泽洛陨石坑，这是火星上一个古老湖泊和河流三角洲的遗址。在执行任务期间，灵巧号经历了多次软件升级，以帮助其飞越危险地形，历经尘暴洗礼，度过寒冷的火星冬季，甚至执行了3次紧急着陆，处理了一个故障传感器。毫无疑问，历史上首架火星直升机注定为未来的太空探索留下不可磨灭的印记。

望向深空：土卫六、金星以及更远

在灵巧号还未发射之前，更多的无人机探测计划便已经被提出。

2017年4月，约翰斯·霍普金斯应用物理实验室向NASA的“新前沿”计划提出了蜻蜓号项目，计划于2028年7月发射一台无人机探测器前往土卫六，并于2034年到达。

土卫六是土星最大的卫星，表面覆盖着丰富的含碳化合物和冰，并且根据观测研究，它的内部存在一个巨大的海洋。这意味着，这颗卫星可能存在孕育生命需要的条件。2005年，欧洲空间局的惠更斯号探测器在土卫六上获取了一些大气和卫星表面测量数据，检测到托林的存在，这是一种由多种碳氢化合物组成的混合物。土卫六的浓厚大气使得在地球上对其进行观测和大气成分测量都变得极为困难，因此土卫六表面固体碳氢化合物的具体组成仍然是未知的。土卫六独特的化学组成和地质特征使其成为科学家研究外星生命起源的重要目标。

土卫六的大气压力约为地球的1.45倍，大气密度约为地球的4倍，而重力仅有地球的13.8%。尽管寒冷的温度、极低的光照水平以及较高的大气阻力会带来相应的挑战，但是根据理论计算，无人机可以在土卫六上进行高效的推进，其飞行功率甚至是在地球上的40倍。

蜻蜓号的主要任务，便是评估土卫六的微生物宜居性，并在不同地点对其表面物质涉及的生物化学信息进行研究分析。蜻蜓号被设计为一架大型的四旋翼机，均配有双旋翼。旋翼配置的冗余，使任务能够容忍至少一个旋翼或电机的损失。每个旋翼的直径为1.35米。飞行器将以约10米/秒的速度飞行，并爬升到最高4000米的高度。蜻蜓号的设计用于不同位置之间进行受控飞行和垂直起降，将使用多旋翼飞行器把仪器设备运送到多个地点，以测量表面组成、大气条件和地质过程。

除了土卫六，研究人员还将目光投向了地球的邻居“地狱行星”——金星。金星的表面温度高达450摄氏度，大气压力是地球的92倍，还覆盖着厚厚的硫酸云层。尽管环境如此恶劣，科学家仍然对探测金星充满热情，甚至一度传出金星大气中可能存在生命迹象的新闻。

金星云层的适居性自1967年科学家哈罗德·莫罗维茨和卡尔·萨根提出这一猜想以来，一直是地外生命探索讨论的主题。此后的一些研究也指出金星的大气中存在有利的化学和物理条件，包括硫化合物、二氧化碳、水以及适中的温度（0～60摄氏度）和压力（0.4～2个大气压），因此可能存在微生物宜居的特性。一些模型表明，金星曾经拥有适宜的气候，表面可能在过去长达20亿年的时间中存在过液态水，意味着微生物可能在某一时期产生并大量繁殖。也正因此，有些科学家推测，金星大气光谱中的部分谱线特征可能是由悬浮在下层云层中的大量微生物引起的，这些微生物目前在以铁和硫为中心的代谢过程中繁衍生息。在地球上，一些极端嗜酸菌可以在极酸条件下生存，并且能够以二氧化碳为食，并排泄硫酸。也许，它们也可以在金星的低层大气中生存。

为了验证这种猜想，VAMP（金星大气机动平台）这一任务概念被航空航天公司诺斯罗普·格鲁曼提出，旨在利用一种可充气的半浮力长航时动力飞机探测金星上层大气中的生物标志物，并进行大气测量。这种充气飞机呈梯形，有时被称为“三角翼”或“飞翼”，配备双电动推进器，在进入大气层时可以收起。

VAMP将由轨道母船部署到太空中，充气后无须气动外壳即可进入金星的大气层。飞行器所受重力的10%将由浮力提供，并能够在使用推进系统时以110千米/时的速度巡航，从而依靠升力来平衡其余的重力。飞行器的电力来源将包括太阳能阵列和电池。

在不进行推进时，飞行器会下降至约55千米的高度，在此高度上大气浮力将完全平衡重力。该飞行器能够在数月到一年间运行，需由轨道通信中继卫星提供支持，以实现互动（但非实时）的控制。VAMP将飞行于50～65千米的高度，并覆盖广泛的纬度和所有经度。

当然，更多的深空无人机计划都在开发当中，理论上只要不是像月球一样几乎没有大气的天体，无人飞行器都可以实现在其上起飞，并执行探索任务。

奔赴深空的旅途

作为世界上最大的无人机生产和出口国，中国还未将自己的无人机送上过其他行星的天空。毕竟中国的航天工程起步较晚，许多基础地外探测也刚刚完成。

但对于深空无人机探测项目，中国早有研究。2018年发表在《深空探测学报》上的文章《有大气行星悬飞探测初步设想与可行性探讨》便提出了一种针对存在大气的地外行星进行悬飞探测的方式。研究人员根据火星和土卫六等地外天体的大气环境，对悬飞探测器在深空探测的可行性进行了探讨。在以往的研究基础之上，2024年来自哈尔滨工业大学的团队公布了火星四轴飞行器火星鸟的概念设计。这种探测器可以用于空中巡逻和采样，每次都能完成对100克样本的采集。

在地球之外让一架数百千克甚至逾吨重的无人机起飞升空并不是一件容易的事情。以火星为例，尽管火星上存在大气，允许飞行器进行飞行操作。但火星上的大气极为稀薄，密度不到地球的1%，因此飞行器翼面在火星上得到的升力会受到严重的限制。

自20世纪70年代以来，包括飞机、扑翼机和旋翼机等各种火星飞行器的设计涌现出来，以达成在低温低压的大气中长时间飞行的任务目的。最初，火星飞行器的主要设计以飞机为主。在20世纪，包括翼展21米的Astroplane和翼展1.73米的MAPMarsFlyer等火星飞机概念设计均由于建造困难而被搁置。2002年，NASA提出了使用双组分火箭燃料产生推力的飞行方案，但这种类型的火箭燃料无法在火星上补充，因此限制了飞行器长途飞行的能源补充能力。滑翔机则是另一种备受关注的一次性飞行探测平台，阿姆斯特朗飞行研究中心提出的Prandtl-m便是一个典型例子。此后，研究人员提出了一种能够连续无动力滑翔的充气滑翔机。除此之外，他们还提出了配备电动螺旋桨的火星滑翔机，可以通过机翼表面的太阳能电池板充电，以实现持续飞行。

然而，由于火星没有大面积的平坦地形，火星飞机难以实现反复起降的功能需求，因此这些设计都被束之高阁而未能变成现实。除了火星飞机的设计，理论上扑翼机同样可以执行空中侦察任务，并使用集群技术来增加任务灵活性。然而在设计上，扑翼机难以携带有效的科学载荷，目前仍然停留在概念层面，未经实验论证。在这样的前提之下，具有可重复使用能力以及良好的多地形起降适应性的旋翼机从一众设计中脱颖而出。目前，包括四旋翼、六旋翼和八旋翼在内的多种多旋翼飞行器的地外行星探测任务适用性已经得到了广泛的认可。也正因如此，已经证实成功的灵巧号与中国提出的火星鸟均选择了四轴旋翼机的设计以实现其任务目标。

“天问”之后，中国已然具备了独立完成火星着陆探测任务的能力。随着祝融号火星探测器将6个轮子坚实地压在火星沙丘之上，也许中国自主研发的火星无人机升空的任务也已提上了日程。

从地球的蓝天白云到火星的红色荒漠，从土卫六冰冷稠密的近地大气到金星炽热黏稠的硫酸雨云，无人机技术已经成为我们了解这些遥远世界的重要工具。人类正处在一个前所未有的探索时代，向前的每一步都将带来新的发现，每一次飞行都在开辟新的视野。我们将在未来看到更多的无人机在外星环境中翱翔，收集数据，传回地球。每一张照片、每一段视频、每一个科学数据，都将是人类智慧和勇气的见证。