全球第一架在火星飛行的直升機

「創造力」號直升機效果圖

最近，美國宇航局計劃發射第五個火星探測器「毅力」號，這次旅程將持續6個月。「毅力」號將啟動一項任務，以收集可能具有古代生命痕跡的火星塵土樣本，這些樣本將在幾年後的另一項任務中返回地球。

它的負載中還有一個特殊物品：一架名為「創造力」號的小型自動駕駛直升機。明年春天的某個時候，「創造力」號將悠悠啟動，成為第一架在火星飛行的飛行器。

「創造力」號登場

想要對火星進行一個整體了解，衛星是最適合的工具。想要了解地面上的細節，火星車就特別擅長細微地探索相對少量的地形。而對於概覽兩者之間的所有事物，一個飛行器就很重要了。

在過去幾年，火星車只能覆蓋幾十公裡範圍，如今無人飛行器可以在一天內輕鬆覆蓋。它們可以拍攝空中快照，以幫助火星車繪製最佳路徑，或收集樣本並將其送回固定的著陸器進行分析。

「創造力」號的硬體（相機、通信設備和航空電子設備）裝在一個小立方體中，該立方體由四根細長的腿懸在空中，使它看上去有點像機器昆蟲。在飛行器頂部，有兩對轉子葉片，每對直徑4英尺，夾在機身和一塊矩形的太陽能電池板之間。整個裝置的重量，不及一個裝滿的兩升蘇打水瓶，但它足夠堅固，足以承受在發射、著陸以及在火星表面活動時所面臨極端環境的傷害。

「下車」幹活兒

「毅力」號到達火星後，將花費數周的時間檢查系統。如果一切順利，那麼首要任務就是在鋪滿巖石的耶澤羅撞擊坑中找到一塊空地，讓「乘客」下車。其實，「創造力」號自己會從火星車的「腹部」掉下來。

一旦火星車和「創造力」號分開，後者的壽命就要進入倒計時了。噴氣推進實驗室的項目首席工程師鮑勃·巴拉蘭和他的團隊只有一個月時間，最多可以進行5次試飛。巴拉蘭說：「這項行動的全部目的是獲取工程數據，因此我們可以說，這完全按我們的想法行事，而火星上沒有任何意外。」

正如萊特兄弟用「小鷹」號進行的飛行測試一樣，「創造力」號的首次飛行只有幾秒鐘時間。這是巴拉蘭團隊在地球進行的飛行測試的精準復刻，他們可以對它的性能與期望進行一次細緻比較。

工程師把「創造力」號安裝在火星車的「腹部」

順利的話，「創造力」號將會嘗試挑戰性越來越強的飛行項目。它的設計目標是可以在離地15英尺，從起飛點算起，最多可以跨越三個足球場的距離。它的電池將飛行時間限制在90秒之內，雖然聽起來不太長，但在火星上進行飛行試驗已經足夠了。

小試牛刀

史丹福大學航空工程師、從事硬幣大小的微型飛行器研究工作的依蘭·克魯和巴拉蘭進行了合作。克魯說：「我們很快意識到，在大氣中飛行微型設備，與在火星上飛行尺寸稍大的設備非常相似，至少在空氣動力學上非常相似。我們的微型旋翼設計，放大一些以後就可以在火星上飛行。」

巴拉蘭和克魯在21世紀初，向美國宇航局（NASA）提交了建造火星直升機的提議，儘管有評審團的積極反饋，但該提議未獲得資助。於是，這個想法又擱置了15年，直到美國宇航局噴氣推進實驗室主任查爾斯·埃拉奇要求巴拉蘭重新編寫該提案，並將之作為該機構最新火星車上可能搭載的附加試驗項目。

2018年，美國宇航局官員宣布，小型無人駕駛直升機將成為2020年火星飛行任務的附屬科學任務。

就物理學而言，火星上直升機的飛行原理與在地球上基本相同：葉片旋轉，下拉空氣的速度足夠快以產生升力。但是，細節決定成敗。在一次早期測試中，來自加利福尼亞的機器人製造廠的工程師發現，一旦房間被密封並且抽出空氣以複製火星狀態後，飛行器就開始表現不穩定。

整個裝置的重量，不及一個裝滿的兩升蘇打水瓶。

7月30日，「毅力」號火星探測器從美國卡納維拉爾角空軍基地發射升空

在地球上，由於葉片的長度和旋翼周圍的湍流空氣動力學環境，直升機葉片在旋轉時具有上下拍打的自然傾向。如果不是由於地球的濃厚大氣將拍打的振動衰減到可以控制的水平，那麼拍打造成的反饋力度將大得驚人。而火星的大氣過於稀薄，無法產生這種阻尼效果，機器起伏不定的話，會給系統造成嚴重破壞。為了彌補這種影響，「創造力」號團隊重新打造了更加堅硬的葉片。

「創造力」號不過是「小試牛刀」，更神奇的操作還在後面。美國宇航局計劃在2025年派出一架名為「蜻蜓」的小型核動力四旋翼飛機，在土星最大的衛星土衛六附近，執行尋找生命的任務。「蜻蜓」的壽命將比「創造力」號長得多，預計它將用兩年時間在土衛六上空飛行，而且具有2英裡的飛行高度範圍。

土衛六被認為是太陽系中最容易飛行的地方，因為它的大氣層非常稠密且重力很小。巴拉蘭說：「如果你不介意那裡太冷，可以自己駕駛飛機飛到那裡去。」

當然，就目前而言，人們還不得不使用無人直升機。