来源：史密森尼杂志
作者：亚历克斯福克斯
翻译：任天
近120年前，莱特兄弟证明了在地球上用可控动力飞行是可能的。现在，美国国家航空航天局(NASA)准备在另一个星球上进行同样的尝试。如果他们的飞机最终成功，将为人类通过航空探索其他星球提供重要信息。
经过短暂而戏剧性的降落过程，“毅力号”于2月18日降落在火星上的杰泽洛陨石坑。毅力号上的智谋是一架重约1.8公斤的直升机。如果一切顺利，它将是第一艘飞入另一个星球大气层的人类航天器。这架小型直升机目前被绑在美国宇航局的毅力火星探测器的腹部，由毅力充电。百折不挠放开后，它将由自己的太阳能电池板供电。
机智会飞在火星上，毅力会在远处观察。NASA称Wit直升机的任务为“技术演示”，这意味着它唯一的任务就是在一系列试飞中成功地展示其飞行能力。如果一切顺利，Witty将引领探索火星崎岖地形的新时代。像Witty这样的航天器可以在探测器无法到达的更近的距离观察火星的一些危险特征，如巨大的熔岩通道。
如何在火星上起飞？
请想象一下：在我们生活的地球上，没有一架直升机能飞到12公里以上的高度。但是在火星上，大气的密度只有地球的1%，所以在火星上飞行相当于试图在30公里的高度起飞。
美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)的项目经理米米昂说：“你不能改装一架设计成在地球上以同等比例飞行的直升机，然后指望它在火星上运行。”为了使直升机产生足够的升力，喷气推进实验室的MiMi Aung和Bob Balaram团队重新设计了传统的旋翼机，采用了新的旋翼桨叶形状和材料，并大大提高了这些桨叶的转速。最终产品由上下叠放的两个转子组成，转子叶片直径约120 cm，反向旋转，转速可达每分钟2400转。
然而，lift并不是tact团队唯一关心的问题。为了建造一架可以在火星上飞行的直升机，他们必须解决许多问题，包括使飞机几乎自动驾驶和最小化其重量。MiMi Aung说，虽然火星的引力只有地球的三分之一左右，但减轻Witty的重量一直是困扰项目工程师的大问题。无论如何，这架直升机的重量必须在1.8公斤以下。另一方面，为了满足在百折不挠的腹部安装Witty的需要，其旋翼的宽度必须限制在120 cm以内，这也限制了直升机的升力。
“我们所做的一切都是为了使它足够轻和足够坚固，以承受发射和火星之旅的考验，”鲍勃巴拉拉姆说。"这架飞机需要能够成为真正的宇宙飞船."
MiMi Aung回忆了一个有趣的故事。脾气比较温和的Balaram和通讯组的成员发生了争吵，因为后者犯了一个错误：要求他们的设备多装3克。米米昂回忆道：“他明确表示，他们需要在不额外增加3克的情况下解决这个问题。”
JPL团队面临的另一个巨大挑战是让威蒂几乎完全自主，因为信号从地球到达火星至少需要5分钟。设计师还需要确保直升机不会危及价值25亿美元的坚忍任务。这就需要安全方面的创新，比如只在飞行前给电池充满电，这样才能保证Smart Phone的锂离子电池不会像一些智能手机一样因为过度充电而爆炸。
Balaram在90年代就有了火星飞船的初步想法，后来成为了Witty的设计支柱。21世纪初，他和一些同事向NASA提出了火星直升机的概念，并获得了一年的研究经费，但由于经费耗尽，对这一概念的研究被搁置。
几周后，毅力号将在火星表面部署机智号。MiMi Aung回忆说，十多年后，在看到一篇演讲后，当时的喷气推进实验室主任查尔斯埃拉奇(Charles Elachi)向他的团队提出了一个直言不讳的问题：我们为什么不尝试在火星上飞行？队里有人想起了巴拉兰的工作，事情开始好转。经过另一轮有希望的测试，喷气推进实验室在2014年任命MiMi Aung为项目经理。
如何在地球上模拟和测试火星飞行
随着项目的推进，团队面临着新的挑战：如何尽可能真实地测试直升机的飞行性能？之前没有任何在火星上飞行的尝试，所以团队必须想出一些方法来模拟地球上稀薄的空气、低重力甚至类似火星的天气阈值。
2014年12月，该团队从喷气推进实验室的真空室中吸走了几乎全部空气，直到其密度与火星大气的密度相当。接着，他们启动了原型机的旋翼叶片，使这架直升机飞离地面，首次证明在如此稀薄的空气中飞行是可能的。然而，这架由操纵杆控制的直升机在摇晃着飞离地面之后，突然又撞向一边，将旋翼叶片都打碎了。起飞是做到了，但操控并不如人意。
在对这次测试的分析中，Balaram及其团队意识到，有必要改进一下原型机的叶片。在地球上，高速旋转的直升机叶片会上下拍打，但空气的厚度足以使其在失控之前减弱拍打的幅度。然而，在模拟的火星大气中，这样的拍打会失去控制，使直升机失去平衡。为了解决这个问题，团队最终用强度极高且重量极轻的碳纤维制造了旋翼叶片。
美国国家航空航天局的团队成员正在调试机智号
在解决了受控飞行问题之后，团队需要解决直升机自主飞行的问题。工程师哈弗德·格里普领导着导航和控制团队，着手开发合适的传感器和算法组合，以确保直升机保持稳定并对准目标。2016年5月，在第二次重大的测试中，机智号直升机飞离地面后保持了稳定的盘旋，但其下方仍然有一串悬垂的电线，连接幕后的电源和计算机。接下来的两年里，机智号团队将在火星上飞行所需的所有部件，包括太阳能电池板、电池、通信设备和处理器等，都整合成了一个1.8千克重的箱体，而且基本上能够自主飞行。
对满载原型机的最后一次测试是在2018年1月。工程师们设计了一个更接近火星的飞行环境。他们在直升机上连了一条钓鱼线，将其缓慢向上牵拉，以模拟火星重力下降的情况；与此同时，他们在飞行室中注入二氧化碳，更进一步模拟火星大气的组成。直升机起飞了，盘旋着，进行了一次可测量的左右移动。一个设想中的概念似乎即将成为现实。
最后，团队开始了机智号的建造和组装工作。令人紧张的最后一步是在一间洁净的房间里进行的，那里有经过严格消毒的设备和部件，以确保直升机不会携带任何生物污染物，毕竟它的任务是在火星上搜寻古代生命的迹象。
机智号的火星工作计划
2月18日，当机智号直升机随毅力号抵达这颗红色星球时，它将面临干燥、寒冷的严酷环境，那里的夜间温度可能骤降至零下90摄氏度。在着陆后60到90天，如果一切顺利，毅力号将移动到较为平坦的地面，将机智号放下。当这架直升机在火星铁锈色的土地上停稳之后，毅力号将行驶到一个足球场以外的地方。
在接下来的30天里，机智号计划尝试5次飞行，难度会逐渐增加。当然，在另一个星球的历史性首飞将只是一个简单的盘旋。按照计划，机智号的每次飞行不超过3分钟，飞行高度约为3到5米，飞行距离可达300米。每次降落后，机智号将直接与毅力号通信。
“第一次在我们从未经历过的条件下飞行，这样的想法本身就令人惊叹，”麻省理工学院的自主机器人研究者尼克·罗伊说，“你可以做所有你想做的测试和分析，但在一切工作结束之后，终于可以起飞了，在我们在地球上从未见到过的条件下飞行。”
如果一切进展顺利，机智号的试飞将在火星表面上穿越约500米的距离。尽管没有科学目标，但机智号携带了两个相机，或许可以从一个全新的角度提供火星的图像。通过这些图像，我们将了解未来的直升机将如何改变NASA在火星甚至其他星球上进行探索的能力。“如果这项努力成功了，它将为我们探索火星表面提供一种全新方式，”NASA总部机智号项目主管戴夫·拉弗里说，“比如，你会想知道下一座山那边是什么。”
在喷气推进实验室，历史学家埃里克·康威的工作之一就是记录机智号的成就和磨难。他表示，想要更进一步探索火星表面，我们就必须以更快的速度覆盖更多的地面。“我们在整个火星上着陆的东西还不到10件，”他说，“如果你试图通过降落在10个地点的探测器来说服我，你知道关于地球的一切，我会嘲笑你的。”
Balaram表示，未来的火星直升机可能重达23千克，包括大约3.6千克的科学仪器，其外形可能类似于地球上的六轴无人机。
拉弗里表示，如果机智号成功在火星上实现了可控飞行，它就“打破了壁垒”。换言之，如果我们能在火星上这么做，那在其他地方也可以这么做。NASA已经在筹划一项名为“蜻蜓号”（Dragonfly）的任务，计划用其在土卫六“泰坦”（Titan）上寻找适合生物生存的环境与化学条件。蜻蜓号将是一架核动力旋翼直升机，因为土卫六上的大气更为稠密。
当然，所有这些可能性都取决于机智号在火星上的试飞情况。“在火星上的第一次飞行将是决定性的最终测试，”MiMi Aung说，“没人知道这项任务是否真的能实现，现在我们需要再进行一次飞行来证明这一点。”
探索网：世界之大，无奇不有！
