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1903年12月17日，地球。萊特兄弟駕駛著比空氣重的“飛行者一號”飛機，實現了在地球大氣中持續(xù)且受控的動力飛行，人類從此進入飛行時代。飛機極大拓展了人類四肢能夠延展的空間，推動人類進入全球化時代。
人類飛行器兩次劃時代意義的突破（圖源：公共版權）
2021年4月19日，火星。在預裝軟件控制下，“機智號”直升機在火星大氣中完成了30秒懸停，這是人類飛行器首次在地外天體大氣中持續(xù)且受控的動力飛行，標志著人類深空探測進入嶄新的“飛行”時代。
一、承前啟后：人類火星探測的新維度
火星是地球的近鄰，是顆類地行星，與地球有著相似的演化歷史與未來。這里有大氣、水、有機物的存在，表面積與地球陸地總面積接近，各類資源豐富。它處在太陽系內宜居帶上，關于火星生命的探尋一直是探測焦點之一。因此，這里也集中了人類對行星際空間探測的技術極致。
機智號為人類新增了一種火星探測技術方案（圖源：作者繪制）
在機智號出現之前，共有四種火星探測方案。驚鴻一瞥的“飛掠”，登高望遠的“環(huán)繞”，觀天測地的“降落”和自由移動的“巡視”，整體難度越來越大。
其中，“飛掠”任務僅是早期技術不成熟或其他任務兼職探測火星時使用。環(huán)繞器能全方位研究火星和中繼信號，但無法詳細研究火星表面；著陸器能仔細研究火星表面的各種細節(jié)，但無法移動；巡視器（火星車）可以隨處移動，但速度略慢，例如好奇號火星車在著陸9年內才爬行了25.1千米，平均每天行駛距離還不足8米。
按照任務復雜度和實際預算對比，常規(guī)任務的邏輯基本是“環(huán)繞的比不過著陸的，著陸的比不過巡視的”。而機智號成功后，則有能力為這個邏輯再加一句“巡視的比不過飛行的”。因為它能在3-5米的空中飛行，最大水平速度可以達到10米/秒，單次飛行往返距離可達100米級別，遠超火星車的能力范圍。
這是火星探測前所未有的新技術，大幅拓展了研究空間尺度和可獲取的信息量。毅力號火星車和機智號直升機組合，也代表了火星探測的新高度。
二、乘風而起：超級集成機身，超強動力系統
前往火星是第一道難關。不過機智號并不是個獨立任務，它主要依托于毅力號火星車，在前往火星之旅中它處于折疊狀態(tài)并被保護起來，牢牢固定在毅力號底部，毅力號通過“臍帶”為它提供能量和技術支持。在確認測試區(qū)域后，機智號才展開并被釋放到火星表面，與毅力號僅通過天線保持無線溝通。
抵達火星后，處于折疊狀態(tài)（左）和展開待釋放狀態(tài)（右）的機智號（圖源：NASA）
火星表面白天氣溫可以超過20攝氏度，夜晚時可以低到100攝氏度以下，晝夜溫差巨大?；鹦堑拇艌鰳O弱，抵御強烈宇宙輻射的效果近乎為零，輻射環(huán)境復雜。早在火箭發(fā)射和著陸火星階段，機智號還要面對劇烈的振動和沖擊。因此，能順利踏上火星表面并獨立生存的機智號，可謂已經經歷過重重磨難的洗禮。
在火星上飛行并非易事，最大挑戰(zhàn)在于火星表面的空氣密度和氣壓還不足地球表面的1%，且變動較大，這相當于地球在約30千米高度的大氣狀態(tài)。而在地球上，珠穆朗瑪峰的高度就已經是直升機的飛行禁區(qū)。為此，科學家們需要解決一系列棘手的問題。
機智號火星直升機的大致組成（圖源：NASA+作者注釋）
首先，要盡可能減輕重量，這是任務成功的關鍵，對于要攜帶眾多核心結構和儀器的機智號也是最大的挑戰(zhàn)。小小的機智號上，需要很多必備部件。例如，一片用以獲取能量的太陽能電池板，兩對用來提供足夠升力、直徑達1.2米的碳纖維旋翼和驅動電機，六塊用以儲存太陽能和給所有儀器設備供電的特制鋰離子電池，一個裝載所有核心處理設備、溫控系統和控制系統等的機身，一臺高清相機等科研儀器，一個通信天線，一套融合了慣性傳感器、太陽敏感器、視覺里程計、導航相機和激光高度計等的復雜導航系統，以及四條支撐腿等核心結構。它還要高度智能，因為地火距離導致的通信時延使得人類不可能控制它飛行。
所有的設計都必須做到盡量輕、強度高、耐沖擊、耐振動、耐溫差、耐輻射，最后的機智號被“濃縮”為整體質量僅有1.8千克的“小不點”，是科研人員們“絞盡腦汁”的成果?？紤]到它8500萬美元獨立預算，平均每克的成本高達4.7萬美元/克，是黃金單價的近1000倍！
動圖：在正式飛行測試前，機智號已經進行了旋翼旋轉測試并被毅力號記錄下來（圖源：NASA）
其次，要盡可能獲得大且穩(wěn)定的升力。機智號的碳纖維旋翼被設計成了共軸反轉式系統，這種設計傳動系統更加簡單，可以回避掉常規(guī)直升機必須攜帶的尾槳，再加上可折疊設計，讓占用的體積空間大幅減少。同時，共軸旋轉的轉動慣量小，抗側風能力更強，懸停和飛行狀態(tài)更加穩(wěn)定，非常適合機智號的應用需求。不過這些設計還是不夠，“天下武功，唯快不破”，它需要大幅增加轉速以滿足升力需求。它的設計轉速高達2400轉/分，極限情況下甚至可以做到更高，這已經遠超地球上直升機的旋轉速度。
預計飛行效果圖（圖源：NASA）
不過，這里如果要寫個致謝，首要功臣還應該是火星。它表面的引力加速度僅為地球的38%左右，這讓機智號的重量僅相當于在地球上0.7千克物體對應的重量，這是它能飛起來的核心原因。
三、科學目標：技術測試為主，為未來任務帶來希望
機智號身背諸多“人類首次”。最核心的使命是完成技術測試，預計在任務期間內完成5次飛行任務，為火星探測和地外天體探測探索新的技術維度。因此，它的科學研究功能并不復雜，主要聚焦于拍攝高分辨率地面圖像，發(fā)回毅力號。由于近乎貼地飛行，它核心科學相機拍攝的彩色圖片覆蓋范圍更廣、分辨率更高，對于了解毅力號周邊環(huán)境有很大意義，相當于為它賦予了一雙“火眼金睛”。然而，僅5次飛行任務，還包括首飛的短期懸停測試，可想而知并不能真正提升毅力號的研究能力。飛行期間，毅力號還要聚焦于它，為它留下火星飛行的美麗合影。
未來的蜻蜓號泰坦探測器，將完全顛覆人類對地外天體探測的技術途徑（圖源：NASA）
這次測試任務的成功，不僅徹底打開了人類對于火星探測的技術發(fā)展空間，也為其他帶有大氣層的地外天體探測開辟了新思路，甚至可能成為主要探測方式。例如，泰坦是土星最大的衛(wèi)星，那里有著稠密的氮氣和甲烷主導的大氣，惠更斯號著陸器曾經在2005年實現了著陸的偉大壯舉。在未來的任務規(guī)劃中，美國宇航局（NASA）已經確定了“蜻蜓號”任務，它就是個純粹的飛行器，利用旋翼飛行系統探索泰坦的大氣和地表，預計收獲的科研價值遠超定點著陸器。人類所熟知的金星，是個大氣密度遠超地球的地方，飛行器也是探測它的最佳方案之一。此外，木星、土星、天王星、海王星，也都擁有濃密大氣層，未來的探測器設計思路，也會被這次火星飛行測試成功所影響。
機智號也攜帶著118年前“飛行者一號”前輩的火星飛行夢想（圖源：NASA）
讓人欣慰的是，科學家們也把一份極致的浪漫通過機智號帶到火星。機智號太陽能電池板下的一條電纜上，覆蓋的是一小片“飛行者一號”機翼上覆蓋用的蒙皮。時隔118年后，它見證了人類飛行夢想在另一顆星球的起飛。未來，人類的星辰大海之旅還將見證越來越多的飛行奇跡。
這些珍貴的探測器，不僅為人類延展了四肢，讓我們能跨越時空觸碰這些星球。還為人類延展了大腦，讓我們時刻憧憬著星辰大海的夢想。
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