人類第一架直升機有望在火星上飛行

我們對「毅力號」火星探測器即將發射升空感到興奮不已，但美國宇航局的新探測器不會獨自踏上徵程。在它的腹部下面藏著一架名為Ingenuity的小型直升機，它有望成為第一架在外星世界上飛行的飛機。

「毅力號」計劃於7月30日星期四美國東部時間上午7:50（美國時間上午4:50）發布。美國航天局火星2020號火星車和直升機預計將於2021年2月在傑羅隕石坑著陸，幾個月後將進行Ingenuity部署。天哪，這將是第一架在另一個星球上嘗試控制飛行的人造飛機。

這個小小的，裸骨的飛行器被美國宇航局稱為技術演示者。航天局希望對這一概念進行測試，並利用這些經驗來開發更具雄心的項目。之前的技術演示包括1997年的火星探路者探測器和2018年的火星「納米衛星」，它們是最小型的能夠快速掠過行星的機器。

項目工程師在2018年AIAA大氣飛行力學大會上發表的大綱中描述了旋翼機概念的增強版本：

它們可以以受控的方式進入和降落在指定的目標上，並可用於運載或取回小的有效載荷。直升機可以通過快速探測安全的穿越路線或對可能的科學目標進行偵察來增強漫遊者的任務，並且作為獨立系統，可以用於探測火星車可能無法到達的區域。火星直升機也可被視為樣本返回體系結構的一部分，可用於及時將小型科學樣本帶回火星升空飛行器返回地球。

然而，在我們進入這一階段之前，美國宇航局將不得不評估Ingenuity在火星上的表現。在30天的時間裡，直升機將進行多達5次的飛行測試，所有測試的持續時間都不會超過90秒。美國航天局稱，在每一次飛行中，Ingenuity將上升到距地面3至10米的任何地方，並在每次飛行中穿越300米。機器人直升機將能夠自主飛行，著陸後將堅持不懈地進行通信。

由於機身大小和壘球差不多，Ingenuity的重量只有1.8公斤。它的兩個旋轉葉片，旋轉方向相反，有1.2米長。它有一個太陽能電池板和一個太陽能電池板。

當「毅力」號將直升機部署到火星表面時，任務的關鍵階段將發生。為了將直升機從火星車腹部移動到地面，美國宇航局開發了火星直升機運載系統，正如航天局解釋的那樣：

在這次任務的第60個火星日（sol）左右，「毅力」號將放下火星直升機運載系統的石墨複合碎片防護罩，在著陸時保護直升機。然後它將駛入所選機場的中心。大約六天後，當直升機和火星車小組對一切感到滿意後，他們將命令火星直升機運載系統完成任務。

展開過程從釋放一個鎖止機構開始，該機構使直升機保持在原位。然後，一個斷索火工裝置點火，使一個彈簧臂，以保持直升機開始旋轉的Ingenuity離開其水平位置。在此過程中，一個小型電動機將拉動直升機臂直到鎖定，使直升機機身完全垂直，並展開兩個彈簧加載的著陸腿。另一個火工裝置點火，釋放了其他的腿。

在這一點之後，直升機最終將被釋放，此時，直升機離地面只有13裡面高。考慮到火星的引力比地球弱，直升機落在地面不會對直升機造成傷害。大約一周後，假設一切都很好，Ingenuity將進行首次試飛。

從技術上講，這架直升機已經記錄了75分鐘的飛行時間，或者更準確地說，在2014年至2019年間，美國宇航局（NASA）測試期間，一架直升機模型在地球上記錄了這段飛行時間。很明顯，火星和地球的環境非常不同，這就要求航天局在實驗中發揮創造性。

例如，火星的大氣層比地球薄100倍，因此沒有足夠的空氣來提供急需的升力。為了飛行，Ingenuity將以2400轉/分的速度旋轉旋翼，這比傳統直升機上的旋翼要快得多。

為了模擬火星上的環境，美國宇航局的工程師們從一個64釐米的真空室中吸出所有的氣體，並加入一些二氧化碳。一個旋翼機模型成功地維持了飛行約一分鐘，在5釐米的高空盤旋。對於直升機來說，這是一個小小的飛躍，但對於開發者來說卻是一個巨大的飛躍。

另外，由於火星上的引力約為地球表面重力的38%，這架1.8公斤的直升機在這顆紅色星球上的重量只有0.68公斤。在開發過程中，該模型通過一個模擬引力降低的系統進行了測試，並且表現良好。

由於夜間的溫度可能會低至零下90攝氏度，因此Ingenuity還必須承受一些嚴重的溫度波動。這架直升機有1500個不同的部件，由鋁、矽、碳、箔和泡沫製成，在執行任務的過程中，這些部件將不斷膨脹和收縮。在設計時，我們考慮到了這些溫度波動，但我們還得等著看，當它真的在這顆紅色星球上時，它的表現如何。

Ingenuity不會攜帶任何科學儀器，但它有自主能力。由於從地球到火星的通信延遲，直升機將不得不自行飛行，並選擇合適的著陸地點。

Ingenuity計劃只是一個小小的開始，但成功會帶來更大、更好的結果。幾年後，當各種各樣的飛機飛過火星表面（甚至可能是其他行星）時，我們可以回顧一下這架Ingenuity的直升機，它使這一切成為可能。