美国国家航空航天局正在向火星发射一架实验直升机

作为今年夏天离开地球的下一次火星任务的一部分，航天局将尝试做一些以前从未做过的事情：驾驶一架直升机穿过火星稀薄的大气层。

如果成功，这架名为“独创号”的小型直升机将为未来的机器人探险者打开一条鸟瞰火星和太阳系其他世界的新途径。

过去六年，NASA喷气推进实验室火星直升机项目经理Mimi Aung说：“这非常类似于莱特兄弟的时刻，但在另一个星球上。”

在火星上飞行不是一件微不足道的事情。那里没有太多的空气可以推动产生升力。在火星表面，大气层的密度只有地球的1/100。较小的重力--你在这里感觉到的三分之一--有助于升空。但是从火星表面起飞相当于在地球上10万英尺的高度飞行。从来没有地面直升机飞得那么高，这是喷气式客机通常飞行高度的两倍多。

这架直升机将坚持不懈地搭便车前往这颗红色星球，这将是NASA派遣到那里的第五辆机器人漫游车。这项任务计划于7月20日发射，这是今年前往火星的三项任务之一。

在上周的一次新闻发布会上，美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)在预览毅力任务时，特别强调了独创性。他说：“我要告诉你，作为一名NASA管理员，最让我兴奋的事情是准备观看直升机在另一个世界上飞行。”

在1997年之前，所有送到火星表面的航天器都是文具着陆器。但在1997年，探路者任务包括了对NASA来说具有革命性的东西：一个轮式机器人。这辆名为“索尤纳”的月球车大约有一个短小的文件柜大小。继这一成功之后，两辆高尔夫球车大小的漫游车“勇气号”和“机遇号”于2004年抵达火星，然后在2012年抵达了大约一辆汽车大小的“好奇号”。

对于在另一个星球上的机器人探险家来说，四处移动的能力提供了巨大的优势。

行星科学家不再拘泥于盯着一个地方。漫游者可以驾车穿越这片风景，停下来近距离观察有趣的岩石。这种自由是获得目前对早期火星的理解的关键，即这颗星球现在又冷又干，曾经是潮湿的，至少拥有一些可能适合生命居住的环境。

“独创性”本质上是“旅居者”的空中对应物，展示了一种新技术，这种技术可能会在以后的任务中得到更广泛的应用。巧妙的身体大约是一个垒球大小，有四条细长的腿伸出。两组叶片，从尖端到尖端各约4英尺，以相反的方向旋转。它只有4磅重，大约1.5英尺高。

直升机总工程师鲍勃·巴拉拉姆(Bob Balaram)早在20世纪90年代就开始与一些同事合作研究这个想法。

“它并没有真正发挥作用，”巴拉拉姆博士说。“我们确实做了一些小测试，但后来它被搁置了，直到大约六七年前。”

他说，时任喷气推进实验室主任的查尔斯·埃拉奇(Charles Elachi)产生了兴趣，并为进一步研究提供了资金。“这让我们继续前进，”巴拉拉姆博士说。

做以前从未做过的事情是一项工程挑战，吸引了昂山素季，她于2014年年中加入，担任项目经理。

“大约20年前，这是不可能的，真的，因为数学上的原因，”昂山素季说。在加入火星项目之前，她是喷气推进实验室自主系统部门的副经理。

但昂山素季说，一些进步，比如电子产品的微型化、储存更多能量的电池，以及可以做成轻质叶片的材料，终于让火星飞行器的梦想在技术上成为了可能。

到2014年底，工程师们已经建造了一个小型原型。这架小型直升机被放置在一个房间里，那里的大部分空气被吸入，复制了火星大气的密度。因为他们还没有编写直升机自己飞行的软件，团队中的一名成员试图用操纵杆来引导它的运动，就像业余爱好者驾驶无人机一样。

领导空气动力学和实现可控飞行工作的工程师哈瓦德·格里普(Havard Grip)说，“它做了我们当时必须做的事情，那就是说我们实际上可以离开地面。”“因此，从这方面来说，这是一次成功。但很明显，要了解这种东西的行为方式，还有很多工作要做。“。

巴拉拉姆博士和格里普博士说，其中一个问题是，叶片在以每分钟2000到3000转的速度旋转时会上下反弹。在地球上，空气对叶片的压力会使弹跳最小化。但在火星稀薄的大气中，弹跳造成了不稳定，使得直升机的运动很难控制。

解决方案原来是让叶片稍微坚硬一些，但这增加了一些重量。

“我认为，在早期找到一个合适的设计是最大的问题之一，”格里普博士说。最终，他们找到了解决方案。

“当你举起这些刀片中的一个时，如果你把它拿在手里，你会认为你要举起一些实质性的东西，而且它像空气一样轻，同时又极其僵硬，这是相当令人震惊的。”

这项工程涉及一系列折衷方案，以适应尺寸、重量和电池电量的限制。

与此同时，格里普博士带头开发了计算机算法，这些算法将能够足够快地操纵和调整直升机的飞行，以自动对火星上不断变化的大气条件做出反应。

2016年5月，下一个原型准备就绪。在模拟透明的火星大气层的同一个舱里，直升机上升，然后稳定地盘旋并软着陆。第一次，一架直升机原型在模拟火星大气的条件下进行了控制飞行，尽管它仍然连接着外部电源和计算机。

完整的设计，包括电池，一个高通骁龙处理器，与手机、通信系统和传感器完全集成在一起，于2018年1月准备就绪。为了模仿火星较弱的引力，一个滑轮向上拉以抵消部分地球引力。房间里的空气密度又被抽了下来。但这一次，没有留下少量的地球空气，而是注入了少量二氧化碳-火星空气的主要成分。

半年后，NASA批准将直升机添加到NASA的下一次火星漫游车任务“毅力”中。

现在，“毅力”号的肚子上贴上了独创性，它正在为从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射进行最后的准备。

与此同时，昂山素季和她的团队正在排练一旦“独创号”登上火星，他们将会做些什么。由于喷气推进实验室由于冠状病毒大流行而基本上关闭，所有的工作都是通过电话会议完成的，所有的团队成员都在家里工作。

在2月份毅力登陆火星大约两个月后，对独创性的测试将开始。漫游者会找到一个合适的平坦的地方，把直升机扔到地上，然后开到至少100码远的地方。昂山素季说，“直升机再也不会回到月球车那里了。”

在30天内，直升机将进行最多5次飞行。大部分时间都会坐在那里等待太阳能电池板给电池充电。

第一种是上升几英尺，盘旋30秒，然后着陆。随后的飞行将会更长、更高、更远。在第五次飞行中，如果一切正常，“匠心”号将上升约15英尺，飞出500英尺，然后回到它开始的地方。它有两个摄像头：一个是向下的黑白摄像头，用于跟踪它所在的位置；另一个是彩色摄像头，用于斜视风景。这次飞行将持续一分半钟。

一旦飞行完成，独创性将留在最后的着陆点，毅力将驱车完成剩余的任务。

昂说，这项技术可以改装成更大的飞船，重量最高可达30磅左右，而不是4磅。它可能足够大，可以携带几磅的相机和其他仪器。

美国国家航空航天局已经计划向土星最大的卫星泰坦发射一架核动力旋翼机--蜻蜓。但土卫六的大气层很厚，因此在那里飞行不会带来与火星相同的技术挑战。

即使未来的直升机前往火星，它们几乎可以肯定永远不会成为那里的宇航员可行的交通工具。

“你不会想到把它扩展到可以像在地球上那样载人飞行的地方，”昂山素季说。“就是没有足够的气氛。”