火星历史性首次飞行背后的内幕故事

如果你想在火星上飞行，你需要一位出色的飞行工程师。当 NASA 寻找最合适的人选时，他们选择了 MiMi Aung。作为喷气推进实验室自主系统部门的副主任，她已经承担了旨在实现太空编队飞行和在其他世界进行高精度着陆的极具挑战性的项目。然后，NASA 将一项迄今为止最艰巨的任务交给了这位缅甸裔美国工程师 Aung：管理一个制造一架能在火星上飞行的直升机的项目。

这架直升机名为 “机智号”。它刚刚搭乘新抵达的“毅力号”火星车腹部前往火星。是的，“机智号”即将飞上火星。

“毅力号”已抛弃了一个保护罩，使“机智号”首次暴露在火星环境中。火星车现在正驶向一个开阔区域——一个安全的试飞地点——并执行任务控制人员称之为“反向折纸”的操作，以展开收纳的直升机并将其轻轻降落到地面。在 4 月 8 日或之后不久，“机智号”将启动旋翼，在极其稀薄的火星大气中尝试起飞。

如果成功，这将是另一个星球上的首次动力飞行。几乎可以肯定，这不会是最后一次。Aung 和她的团队多年的不懈努力克服了在火星上飞行的挑战，而这些挑战曾被许多工程师认为是不可能克服的。现在，技术和方法已经为未来火星上的飞行器做好了准备。也许是金星云层之上，甚至是巨行星高层大气中。在这里，老套语很贴切：天空才是极限。

我采访了 Aung，了解了制造“机智号”所付出的工程努力，以及在它尝试火星上的“莱特兄弟时刻”时需要关注的方面。以下是我俩对话的轻微编辑版本。（关于 Aung 在 JPL 辉煌职业生涯的第二部分将在我下一篇专栏中刊登。）

您已经为此项目工作了很多年。当看到“机智号”终于抵达火星表面，准备起飞时，您感觉如何？

我必须不断提醒大家，你们必须从我们开始时提出的问题来看待“机智号”：“在火星上飞行是否可能？”现在这个问题已经不再是问题了。我们已经在模拟火星大气（在地球上的测试中）中飞行过。这是一项非常艰巨的任务。在此过程中克服了很多挑战。

那么，问题就不再是“我们能否飞行”。而是，“*如何*飞行？”我们必须克服“如何”的问题并构建这个系统。“机智号”直升机的整体重量仅为 1.8 公斤。这是一个巨大、巨大的成就。

所以，这不仅仅是火星上的首次飞行，这是太空探索新时代的开端，对吗？

是的。展望未来，我们已经能够设计更轻的飞行器。我们现在拥有了方程、模型和模拟。我们与 NASA 和工业界的人们建立了联系，为未来做好准备。一切都已就绪。接下来的每一步都是在检查和说：“我们为建造这个系统而想出的这个解决方案，它的不足之处是什么？有哪些我们不知道的未知？我们有什么没想到的？”

在“机智号”搭乘“毅力号”飞往火星的几个月里，您已经学到了什么？

第一件大事是我们启动了（直升机）的太空真空测试。我们已经测试过我们的硬件。由于重量轻，我们不得不使用现成的、轻量级的商业组件，对吧？我们在（地球上）模拟火星环境中测试了直升机，但那仍然只是模拟。我们启动了它，它工作了，这很棒——但你知道我们有多屏息以待吗？但我们成功度过了发射环境和真正的太空真空，所以在这方面我们很顺利。

然后是下降和着陆，情况一样：“每个人都还好吗？”着陆后的第二天，当我们启动时，我们的恒温器电路又开始工作了。现在我们能在火星大气环境中工作了！我们知道这架飞行器抵达火星时，与我们打包并发射时一样，所以我们更加自信了。

您能为我讲解一下现在正在进行的、为“机智号”首次火星飞行做准备的里程碑吗？

我们已经知道火星车按我们想要的方式工作。下一个重要时刻是部署，从现在开始。这是我们与 “毅力号”火星车团队合作的地方：JPL 和洛克希德·马丁公司（负责火星直升机交付系统）以及 AeroVironment，还有 NASA Ames 和 NASA Langley。我们共同努力将它安装在火星车上。

在部署过程中，我们再次想知道：我们在火星环境中是否学到了什么新东西？坠落可能是对我们来说最重要的时刻。我们完成的能量预算，那个封存二氧化碳的小隔热罩。我们是否根据我们模拟的火星温度正确计算了能量？所以这是一个热学、电力和电子学的交叉领域，以及所有建模。现在一切都关乎生存。我们的硬件能承受多久？坠落后，我们能熬过第一个夜晚吗？

在最佳情况下，您将在火星上进行五次试飞，是这样吗？

是的。我们计划进行多达五次飞行。我们有一个 30 天的时间窗口，然后就结束了。我们以三天为一个周期飞行，所以我们无法连续三天飞行。

是什么限制了您进行五次飞行？如果“机智号”的硬件超出了您的预期，您能继续下去吗？

固定的限制是时间。我们有 30 天。正如您所知，“毅力号”有其本身极其重要的主要任务。火星上的每一天都非常宝贵，所以我非常感谢能获得这些时间。我们将充分利用这 30 天。然后，我们需要回到“毅力号”火星车任务的主要科学研究中。

作为一名工程师，您在“机智号”试飞期间会关注什么？您说得好像您已经完成了任务中最困难的部分。

您完全说对了。对我们所有人来说，我们了解这架飞行器。我们在飞行舱里进行了无数次（测试）飞行，数十次、上百次。我们对工程开发模型和飞行模型进行了压力测试和测试？它如何经受住了旅程？最重要的是我们想学习。如果发生任何意外情况，我们如何获取信息，以便将这些信息反馈给下一代（飞行）飞行器？这就是驱动我们的东西。

您已经在考虑火星或其他星球的新飞行器了吗？

当然。当你多年来付出了如此多的努力时，总有一些深层次的驱动力在激励你，对吧？对我们来说，这种驱动力就是为太空探索增加一个空中维度。不仅仅是太空中的航天器或地面的火星车：我们还将能够按照我们想要的方式飞行。增加这个空中维度将在许多方面发挥作用。火星车需要能够看得更远的侦察兵，高分辨率的侦察兵，它们可以清晰地描绘出你的位置。未来的宇航员将希望探索他们无法到达的地方。

现在，有什么是我们可以建造的？我们如何实现这个愿景？

您能比“机智号”做得更大吗？您能在火星上拥有巨大的直升机在上面飞来飞去吗？

我们现在使用的是直径 1.2 米的系统（“机智号”的旋翼），因为这是能装进“毅力号”火星车中最大的尺寸，也是他们能给我们的最大质量。对于未来的直升机，我们正在考虑直径为 3 米或 3.5 米（的旋翼），质量约为 15 公斤。任何大于此尺寸的东西，系统的柔韧性就会起作用（导致直升机不稳定）。像这样的系统可以携带一公斤的有效载荷。这就是愿景。

用一公斤的有效载荷在火星上飞行，可以进行什么样的科学研究？

哦，科学界对仪器有很多想法！他们也在提出（潜在的）越来越轻的有效载荷。也许我们可以做到两公斤的有效载荷。不幸的是，火星的大气密度不足以安全地飞行任何更大的东西。

您坚称“机智号”不是“无人机”。这个词有什么不对？

我经常因为不给火星直升机使用“无人机”这个词而受到取笑，但我对此感受很深，原因如下：我们才刚刚掌握基本原理。这是一个探路者任务，旨在展示如何建造和如何操作。我们正在打破常规，但还有很长的路要走。一旦（飞行器）成为常态——这是我们的梦想，也是我们努力工作的原因——那么，是的，届时就会有火星无人机了。

另一架飞行器已经在开发中了，那就是将于 2036 年在泰坦上飞行的 Dragonfly 任务。您与该团队合作吗？

Dragonfly 有很大的不同。它是一个大型系统，一个航天器级的仪器，因为泰坦有如此浓厚的大气层。然而，测试飞行器仍然是第一次。如何第一次启动而不产生振动和解体？我们曾经解决过的所有问题，Dragonfly 也将解决。分享我们关于如何构建飞行器以及如何在地球上模拟（外星）飞行环境的经验教训，将会非常棒。

我们还可能在太阳系中的其他地方飞行吗？

任何有大气层的行星天体都是潜在的目标。当 Dragonfly 被选中时，真是太棒了，因为是的，将会有另一个飞行器！是的，它真的可以成为常态。无论我们将着陆器或火星车送到哪里，为什么不让飞行器也随行呢？那是我的梦想。如果你去火星，为什么不行？为什么不在（未来的火星车上）放多个直升机，多个副本？到那时，我们可以称它们为无人机。它是一个非常强大的探索工具。

我甚至都没想过。您可能会拥有成群的飞行机器人。

绝对！您可以探索所有维度。您可以将其做得很大并添加通信系统，这样您就可以直接与地球通信，而无需通过火星车或中继器与轨道器通信。或者您可以做得小巧，然后发送一大批。如果您做得小巧，您可以构建一个非常小巧、极其洁净的系统（经过消毒，以避免污染火星或其他世界）。您可以探索敏感区域。或者我们可以发送成群的飞行器，它们可以共享信息并在不同区域同时采集数据。

这开辟了一种全新的探索方式。

既然您一直在展望未来——您接下来的挑战是什么？

我正在为 NASA 的一项名为 VERITAS 的金星任务提交一份提案。NASA（关于是否发射 VERITAS）的决定将在 7 月份做出。所以，我们现在正在谈话的同时，我既在火星上（与直升机项目），也在金星上。

是时候重返金星了。我们已经 30 年没有去过那里了。我们的提案是对金星表面和内部进行一次全面的全球性调查。金星蕴藏着关于岩石行星演化的诸多答案。这是基础性的，而且它是我们最近的邻居。它在质量和大小上与地球如此相似。

您拥有一份非常出色的工作。

非常感谢。讲述这个故事真的很有趣。这就像您辛勤工作后的巨大回报。

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