在火星上飛行的直升機(jī)

南方周末特約撰稿　鞠強(qiáng)

來源?　NASA?/JPL?　Caltech

機(jī)智號火星直升機(jī)模型。

★人類歷史上第一架動力受控飛行器在地球以外的星球上成功完成了首次試飛，這開創(chuàng)了探索太空的新篇章。

北京時(shí)間2021年4月19日，美國國家航空航天局（NASA）的機(jī)智號（Ingenuity）火星直升機(jī)在火星成功完成了首次試飛，這是歷史上第一架在地球以外的星球上飛行的動力受控飛行器，開創(chuàng)了人類太空探索的新歷史。

2021年2月18日，毅力號火星車成功在火星表面著陸，已經(jīng)陸續(xù)向地球發(fā)回火星照片和其他數(shù)據(jù)。NASA的這次火星任務(wù)備受關(guān)注，一個(gè)重要原因是與此前的好奇號等火星車不同，毅力號還同時(shí)攜帶了一架專為此次任務(wù)研發(fā)的機(jī)智號火星直升機(jī)。

NASA行星科學(xué)部主任洛里·格拉茲（Lori Glaze）在NASA官網(wǎng)上這樣評價(jià)機(jī)智號的意義：“1997年，當(dāng)旅居者號火星車在火星表面著陸的時(shí)候，它證明了有可能在這顆紅色行星的表面進(jìn)行漫游，并且徹底重新定義了我們探索火星的方式。同樣，我們也希望了解機(jī)智號對于科學(xué)研究的未來所具有的潛力?！?/p>

前所未有的挑戰(zhàn)

機(jī)智號直升機(jī)的高度為0.49米，旋翼翼展為1.2米，重量為1.8千克，造價(jià)8500萬美元，以太陽能作為能源，通過無線通信系統(tǒng)與毅力號火星車進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，配備有計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航傳感器和兩臺相機(jī)（一臺彩色相機(jī)和一臺黑白相機(jī)）。

與一般被送往其他星球的探測器不同，機(jī)智號本身沒有搭載科學(xué)儀器，不承擔(dān)科學(xué)任務(wù)，它只是作為一臺測試設(shè)備，驗(yàn)證在另一顆星球上進(jìn)行有動力受控飛行的可能性。

在完成這次歷史性的飛行之前，機(jī)智號團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)過程中克服了很多困難。正如機(jī)智號總工程師鮑勃·巴拉拉姆（Bob Balaram）所說：“從6年前開始，我們走過的每一步在飛行器的歷史上都是一片未知的領(lǐng)域?！?/p>

機(jī)智號方形機(jī)身的尺寸為20厘米×16厘米×14厘米，計(jì)算機(jī)、相機(jī)和電池都位于其中；而在機(jī)身外則是天線、太陽能電池板、起落架和2片旋翼。毅力號火星車的空間非常有限，因此如何安放這架直升機(jī)成為一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。工程師們考慮了火星車車身上的每一處空間，最終決定把機(jī)智號放在火星車車身下部。

火星表面重力約為地球表面重力的三分之一，但是大氣的密度只有地球表面的1%，這樣就很難提供足夠的升力，因此機(jī)智號需要非常設(shè)計(jì)、制造得非常輕才能克服升力不足的影響。

在火星的白天，這顆星球能夠接收到的太陽能大約只有地球上白天能接收到的太陽能的一半。而在火星的夜晚，溫度會降低到零下90℃，這樣的低溫會損壞未受保護(hù)的電子器件。因此為了度過火星上極其寒冷的夜晚，機(jī)智號要有足夠的能量來供應(yīng)機(jī)身內(nèi)部的加熱器。

毅力號攜帶機(jī)智號在火星表面著陸后，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)就開始著手為試飛進(jìn)行準(zhǔn)備。3月21日，毅力號丟掉了在著陸過程中保護(hù)機(jī)智號的吉他盒形狀的由石墨復(fù)合材料制成的保護(hù)罩，試飛進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。

毅力號攜帶機(jī)智號到達(dá)進(jìn)行首次試飛的起飛位置后，任務(wù)團(tuán)隊(duì)開始了最后的沖刺。機(jī)智號的起飛位置被稱作“機(jī)場”，經(jīng)過精心選擇。這個(gè)所謂的機(jī)場位于杰澤羅撞擊坑，10米見方，平坦且沒有障礙物；同時(shí)在機(jī)智號起飛后，稍遠(yuǎn)處的毅力號能有良好的觀察視野。

精心設(shè)計(jì)的落地

在任務(wù)團(tuán)隊(duì)確認(rèn)毅力號已經(jīng)到達(dá)它在“機(jī)場”中的合適位置后，啟動了釋放機(jī)智號的工作。負(fù)責(zé)銜接機(jī)智號與毅力號的主管法拉赫·阿里貝（Farah Alibay）在NASA官網(wǎng)上表示：“和同這架直升機(jī)有關(guān)的一切一樣，這種類型的工作此前從未進(jìn)行過。一旦開始，就不能再回頭了。如果有跡象表明有什么地方不對勁，我們就會暫停1個(gè)火星日（1個(gè)火星日約合24小時(shí)39分鐘）甚至更長的時(shí)間，直到我們了解接下來會發(fā)生什么?！?/p>

毅力號攜帶機(jī)智號經(jīng)歷了超過5億千米的星際旅行到達(dá)火星，而在降落過程中還使用了空中起重機(jī)這樣的先進(jìn)技術(shù)。但對機(jī)智號團(tuán)隊(duì)而言，順利地把機(jī)智號從毅力號釋放到火星表面卻是最大的挑戰(zhàn)，為此他們專門研發(fā)了火星直升機(jī)傳送系統(tǒng)。

在火星平坦的表面上，火星車車身底部離地間隙有67厘米。傳送系統(tǒng)占據(jù)了大約6厘米的高度，而直升機(jī)本身高49厘米，這樣機(jī)智號距離火星表面還有大約12厘米。這12厘米有限的空間就是擺在工程師面前的難題。但是他們發(fā)現(xiàn)，如果把機(jī)智號水平安放在車身下部，他們就有了足夠大的操作空間，于是采用了這個(gè)方案。

任務(wù)團(tuán)隊(duì)用了大約6個(gè)火星日完成了把機(jī)智號部署到火星表面的工作。在這段時(shí)間里，機(jī)智號按部就班地完成了預(yù)先設(shè)定的操作。首先，工程師命令松開一個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)——在從地面發(fā)射和降落到火星的過程中，這個(gè)裝置把直升機(jī)緊緊地固定在火星車車身下部。接下來，一個(gè)切斷繩索的裝置點(diǎn)火，使得固定直升機(jī)的彈簧臂開始把直升機(jī)從與車身底部水平的方向向垂直于車身（地面）的方向轉(zhuǎn)動。在這個(gè)過程中，一個(gè)小型電動馬達(dá)拉動這個(gè)彈簧臂。等彈簧臂鎖緊后，直升機(jī)機(jī)身就完全與地面垂直，它的兩個(gè)彈簧起落架也被打開。此后另一個(gè)裝置點(diǎn)火，放開另外兩個(gè)起落架。

在這些流程順利完成后，任務(wù)負(fù)責(zé)人命令傳送系統(tǒng)松開，這樣機(jī)智號就下落了12厘米，到達(dá)了火星表面。在確認(rèn)下落完成后，任務(wù)團(tuán)隊(duì)命令毅力號駛離機(jī)智號，機(jī)智號開始用太陽能電池板為自己的電池充電。從這一刻起，機(jī)智號正式開始了為期30個(gè)火星日的飛行測試。

創(chuàng)造歷史的起飛

根據(jù)NASA在3月下旬發(fā)布的消息，機(jī)智號的首次試飛時(shí)間不早于4月8日。隨后，NASA發(fā)布消息稱，機(jī)智號的首次試飛時(shí)間為美國東部時(shí)間4月11日。但在測試過程中發(fā)現(xiàn)了問題，測試時(shí)間被推遲到4月14日之后。地面控制中心的工程師發(fā)現(xiàn)飛行軟件存在漏洞，需要升級。在解決完這個(gè)問題后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)確定了首飛時(shí)間，即北京時(shí)間4月19日15時(shí)30分。

在位于美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的機(jī)智號團(tuán)隊(duì)決定開始進(jìn)行試飛后，毅力號把接收到的最終飛行指令傳遞給了機(jī)智號。歷經(jīng)漫長旅程到達(dá)火星并以非常精巧的方式完成釋放的機(jī)智號，其首飛過程實(shí)際上并不復(fù)雜：當(dāng)螺旋槳達(dá)到2537轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速后，機(jī)智號起飛，并以每秒1米的速度上升；在到達(dá)距離火星表面3米的高度后，機(jī)智號懸停了30秒，隨后下降并降落到火星表面。

在機(jī)智號完成首次試飛后的3個(gè)多小時(shí)后，毅力號就把機(jī)智號的第一批工程數(shù)據(jù)集以及火星車相機(jī)拍攝的圖片和影像通過在火星軌道上飛行的探測器傳回地球。機(jī)智號團(tuán)隊(duì)正是通過這些數(shù)據(jù)確認(rèn)機(jī)智號的首飛取得了成功。

在接下來的一個(gè)火星日里，首次飛行中收集到的其余工程數(shù)據(jù)以及機(jī)智號導(dǎo)航相機(jī)拍攝到的低分辨率黑白照片也會傳回噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。再過一個(gè)火星日，機(jī)智號上的高分辨率彩色相機(jī)拍攝的圖片也會傳回地球。機(jī)智號團(tuán)隊(duì)將根據(jù)所有這些信息決定何時(shí)以及如何開展接下來的測試工作。根據(jù)計(jì)劃，機(jī)智號將在測試期內(nèi)完成至多5次試飛。首飛成功后，機(jī)智號隨后的測試難度也會增加，會嘗試飛得更高、更遠(yuǎn)，為以后的外星球飛行任務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。

機(jī)智號團(tuán)隊(duì)還安排了向先驅(qū)致敬的彩蛋。他們用絕緣膠帶把1903年萊特兄弟駕駛飛上藍(lán)天的飛行者號上的一塊覆蓋機(jī)翼的材料纏在了機(jī)智號太陽能電池板下方的一根電纜上。萊特兄弟從1901年開始使用這種材料覆蓋他們的滑翔機(jī)和飛機(jī)的機(jī)翼，并在1903年完成了人類在地球上的首次動力受控飛行。

機(jī)智號直升機(jī)在火星表面成功起飛將進(jìn)一步擴(kuò)展人類探索火星的視野，同時(shí)擴(kuò)大火星探索的范圍，為未來的任務(wù)賦予更多的可能性。未來的火星任務(wù)可以攜帶第一代直升機(jī)，為探索增加一個(gè)空中的維度?；鹦侵鄙龣C(jī)可以作為登陸火星的航天員的偵察兵，攜帶小型的科學(xué)載荷，或者調(diào)查懸崖、洞穴、深坑以及其他航天員難以抵達(dá)的研究目標(biāo)。

中國、阿聯(lián)酋和美國的火星探測器已經(jīng)在2021年2月先后抵達(dá)火星，阿聯(lián)酋的希望號成功進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道，美國的毅力號成功在火星表面著陸，中國的天問一號將在5、6月間擇機(jī)在火星表面著陸，人類探索火星迎來一個(gè)新的高潮。能夠在另一個(gè)星球上起飛的飛行器，未來也會給我們帶來新的驚喜。