灵巧号的征途：一人数十载，探索火星直升机

当美国首次梦想将宇航员送往另一个世界时，德裔美国火箭工程师沃纳·冯·布劳恩并不想去月球。他想送几十人去火星。他设想一种有翼飞行器，翱翔在红色星球的大气层中，轻轻地降落在锈红色的地表上。尽管地球人很快就发现，前往另一个星球并非易事，但火星飞行的梦想从未破灭。

现在，这个梦想即将实现。 7 月 22 日，NASA 计划发射其 “毅力号”火星车。但还有一个机器人“搭便车”的旅客；这架小型太阳能驱动的直升机，名为 “灵巧号”，肩负着一项与火星车完全独立执行的任务。当“毅力号”火星车寻找外星生命迹象时，“灵巧号”将证明在火星稀薄的大气层中飞行是可能的。它收集的数据将帮助工程师们为红色星球建造更大的无人机。如果成功，其长期影响将对火星探索产生革命性的影响。

“灵巧号”身高不到 2 英尺，体重不到 4 磅（地球重量），能力相对有限。它被设计成可以起飞、在距离地表不超过几十英尺的高度盘旋、在火星稀薄的空气中机动，并在平坦的地形上着陆。但未来的火星直升机可能更大、能力更强，能够比传统火星车更快地探索广阔或难以到达的区域。这些下一代空中机器人甚至可以充当侦察兵，收集样本并将其送回着陆器或轮式火星车进行科学分析。

“‘旅居者号’，这个只有微波炉大小的微型火星车，为‘好奇号’和‘毅力号’铺平了道路，”喷气推进实验室的鲍勃·巴拉姆说，“‘灵巧号’的总工程师。”尽管“旅居者号”很小，但最近的两辆火星车都和汽车一样大。巴拉姆认为火星直升机的进展也会走上同样的道路。

但首先，“灵巧号”必须证明自己能够飞行——这是巴拉姆等待了几十年的考验。

火星飞行史

在过去的半个世纪里，有十多架火星飞行器被认真考虑过，其中大多数项目都是滑翔机。只有少数原型机进行了测试；其中一架滑翔机，名为“BIG BLUE”，从地球表面 100,000 英尺的高度被投放。这些固定翼飞机主要设计为从绕火星轨道飞行的航天器上投放；当滑翔机被释放时，它的翅膀就会展开，帮助它平稳地滑翔到地面，同时收集下面广阔地貌（如水手谷）的鸟瞰图。

但对于红色星球上现有的基于机翼的技术来说，滑翔几乎是你所能做的最好的了。如果你成功地在火星上降落了一架飞机，再次起飞将几乎是不可能的。这是因为火星的大气层比我们自己的稀薄约 100 倍。

在地球上，商用飞机在 35,000 英尺的高度巡航，因为我们平流层中的空气更稀薄——阻力更小，天气条件和湍流更少。但要达到仅比火星表面略高的大气密度，地球上的商用飞机必须爬升到 150,000 英尺。这几乎是到达称为卡门线（大约 62 英里高）的太空边界的一半距离。因此，如果想用有翼飞行器在火星上飞行，你就需要建造一条跑道，在那里才能达到超高的起飞速度。

“在火星上，你必须以相当快的速度飞行，才能产生足够的升力，”巴拉姆说。

飞机和滑翔机并不是唯一在火星上难以飞行的飞行器。一度，法国科学家几乎准备向火星发送一个气球任务。然而，他们在测试中遇到了重大困难，迫使他们搁置了这一想法。气球被证明难以操作，难以充气，并且在有明显风的情况下几乎无法控制。

火星无人机

在 20 世纪 90 年代中期，巴拉姆是 NASA 喷气推进实验室的一名年轻工程师，当时其他工程师已经在尝试设计在火星上飞行固定翼飞机的方案。他甚至自己也做过一些火星气球研究。但巴拉姆对他的工作感到厌倦，这促使他寻找新的东西。这时，他听说斯坦福大学一位教授的研究，该教授使用微小的、硬币大小的机器人来监测地球上的空气和水污染等问题。

巴拉姆意识到，这些小型机器人的飞行动力学与大型飞行器在火星稀薄的大气层中飞行时所经历的情况相似。于是，他写了一份提案并建造了一个原型，以证明小型直升机确实可以在火星上飞行。这个想法似乎得到了支持。但随后，在它被整合到一个任务中之前，巴拉姆的直升机项目由于 NASA 的资金削减而被不留情面地搁置了。在他转而从事火星车和其他项目时，他的项目一直处于停滞状态。

2015 年，全世界终于跟上了巴拉姆早期设想的步伐。一位 JPL 的高管听了一场关于无人机如何彻底改变世界的精彩演讲。于是他询问员工是否可以将无人机送往火星——有人想起了巴拉姆的项目。这位工程师做了一次简报，在巴拉姆知道之前，他已经重新拾起了他的火星直升机概念。经过改进的项目，现已准备好发射，并在今年早些时候的一次命名竞赛中被重新命名为“灵巧号”。

在最终设计中，“灵巧号”的重量仅为 4 磅，高度为 19 英寸。但尽管它体型娇小，火星稀薄的大气层意味着该飞行器需要两组旋翼，每组跨度约 4 英尺。此外，为了产生足够的升力，旋翼必须以每分钟约 2,800 转的速度旋转——这大约是地球上典型直升机旋翼的 10 倍。

小型电子革命

与它之前的失败的飞行器计划一样，“灵巧号”的征程也将充满挑战。在地球上，无人机飞行员知道，在空气稀薄的高海拔地区，他们的四旋翼电池续航时间不会那么长，它们必须更努力地工作才能保持飞行。但火星的情况更加极端。

就连巴拉姆也认为，NASA 在 20 世纪 90 年代建造和飞行他最初设想的直升机概念将会很困难。但在这些年里，微型电子产品发生了革命性的变化。手机技术就是一个很好的例子，说明了如何在极小的空间内集成强大的计算机、摄像头和电池。与此同时，太阳能技术的巨大进步使得设计更加紧凑和高效。因此，通过等待几十年，“灵巧号”的工程团队无需发明和测试全新的技术就能实现目标。

相反，“灵巧号”由现成的锂离子电池供电，并通过一套小型太阳能电池板进行充电。它配备了手机式摄像头，可以拍摄彩色照片，还有两个向下看的黑白导航摄像头——这些也都可以在消费级无人机上找到。

“所有这些支持技术都取得了进步：太阳能电池板、计算机处理器、传感器和系统，”巴拉姆说。“这些是使这一切成为可能的东西。”

寒冷，火星之夜

但尽管“灵巧号”的一些核心组件在地球上很常见，但即将到来的火星直升机的成功并非板上钉钉。所有最艰巨的测试，例如在火星上开创航空旅行，仍然摆在眼前。

借助 NASA 的火星车，太空机构可以在地球崎岖的沙漠中进行广泛的驾驶测试。但为了模拟在火星稀薄的大气层中飞行，巴拉姆的团队不得不建造一种全新的风洞。没有任何其他东西能够模拟红色星球独特的大气条件。

该团队在一个 25 英尺宽、85 英尺高的腔室内，充满了火星上存在的混合气体，进行了飞行练习：大约 95% 的二氧化碳、2.5% 的氮气、2% 的氩气，以及微量的氧气和痕量气体。测试后，他们会将测得的飞行数据输入计算机模拟，以继续进行虚拟测试。

为了评估无人机的着陆能力，该团队只是将其拿到户外，并在不同的地形上飞行，观察它如何在各种岩石和土壤上着陆。“测试程序必须从零开始发明，”巴拉姆说。“这是主要的挑战之一。”

但“灵巧号”不仅是一架飞机；它也是一艘宇宙飞船。它必须承受辐射和温度，这是航空航天工程师前所未有的挑战。火星上的低温如此严重，以至于直升机只能将其三分之一的能量用于飞行。其余的能量必须用于加热飞行器的电子设备，以防止它们在接近 –200 华氏度的严寒火星夜晚中冻结。

所有这些挑战意味着“灵巧号”的主要目标是实验性的，而不是从火星返回实际的科学成果。该太空机构还为“灵巧号”的工程师们提供了一些测试上的灵活性。他们不确定“灵巧号”在部件开始损坏之前能进行多少次飞行，因此作为一项技术演示，该直升机可以采用一些大型旗舰任务无法采用的捷径，例如使用未经极端筛选的现成部件。

“如果它们经历足够的温度循环，就会开始损坏，”巴拉姆说。“我们不知道什么时候会发生，但它不能永远持续下去。”

“毅力号”，运载着陆车

如果它能在火星上成功飞行一次，NASA 就将此次任务视为巨大的成功。然而，他们计划进行多达五次试飞，这些试飞将在“毅力号”火星车着陆后不久开始。

一旦火星车着陆，这辆六轮机器人将开始执行自己的任务，同时寻找一个尽快部署“灵巧号”的地方。唯一真正的要求是直升机的测试场地必须平坦开阔。

“莱特兄弟选择基蒂霍克并非偶然。他们没有去优胜美地，”巴拉姆说，他指出了那个历史遗址相对平坦、倾斜的山丘。“这是我们在另一个星球上的莱特兄弟时刻。我们将不遗余力地选择相对容易的地形降落。”

大约 30 天后，“毅力号”将离开“灵巧号”，继续自己的旅程，不再计划再次驾驶直升机。毕竟，在“灵巧号”的整个生命周期中，它的首要任务将是避免与 NASA 数十亿美元的“毅力号”火星车相撞。这就是为什么在每次试飞前，火星车和直升机都需要保持数百英尺的距离。一旦“灵巧号”证明了自己能够飞行，NASA 认为风险与现成部件的持续退化相比，就不值得进行更多的测试了。

“‘毅力号’非常配合，在两年窗口期内给我们留出了 30 个宝贵的[火星日]来专注于这项技术演示实验，”巴拉姆说。“这是一个很大的承诺。”

但巴拉姆说，理论上，该团队的小型直升机能够做得更多。如果他们在地球上的测试预示着火星上可能实现的成就，“灵巧号”很快就会让太空爱好者们感到惊喜。这也可能迫使 NASA 做出是否放弃这架无人机的艰难决定。

他们唯一的真正限制是“灵巧号”腿部用于软化着陆的机械阻尼器，这些阻尼器大约可以使用 50 次飞行。除此之外，理论上直升机可以持续到冬天——到达火星后大约六个月——那时它将太冷而无法生存。

“如果这真的奏效，未来你可以想象更多的探索，使用能够携带 1 到 4 公斤 [2 到 9 磅] 有效载荷的大型直升机，”巴拉姆说。“我很容易想象一个任务，直升机取样并将其带回寻找生命迹象的火星车。”

更重要的是，巴拉姆说他已经在设计下一代飞机了。他们只需要“灵巧号”收集一些数据。