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(hào)”飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了在地球大氣中持續(xù)且受控的動(dòng)力飛行，人類(lèi)從此進(jìn)入飛行時(shí)代。飛機(jī)極大拓展了人類(lèi)四肢能夠延展的空間，推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)入全球化時(shí)代。

　　人類(lèi)飛行器兩次劃時(shí)代意義的突破（圖源：公共版權(quán)）

　　2021年4月19日，火星。在預(yù)裝軟件控制下，“機(jī)智號(hào)”直升機(jī)在火星大氣中完成了30秒懸停，這是人類(lèi)飛行器首次在地外天體大氣中持續(xù)且受控的動(dòng)力飛行，標(biāo)志著人類(lèi)深空探測(cè)進(jìn)入嶄新的“飛行”時(shí)代。

　　一、承前啟后：人類(lèi)火星探測(cè)的新維度

　　火星是地球的近鄰，是顆類(lèi)地行星，與地球有著相似的演化歷史與未來(lái)。這里有大氣、水、有機(jī)物的存在，表面積與地球陸地總面積接近，各類(lèi)資源豐富。它處在太陽(yáng)系內(nèi)宜居帶上，關(guān)于火星生命的探尋一直是探測(cè)焦點(diǎn)之一。因此，這里也集中了人類(lèi)對(duì)行星際空間探測(cè)的技術(shù)極致。

　　機(jī)智號(hào)為人類(lèi)新增了一種火星探測(cè)技術(shù)方案（圖源：作者繪制）

　　在機(jī)智號(hào)出現(xiàn)之前，共有四種火星探測(cè)方案。驚鴻一瞥的“飛掠”，登高望遠(yuǎn)的“環(huán)繞”，觀天測(cè)地的“降落”和自由移動(dòng)的“巡視”，整體難度越來(lái)越大。

　　其中，“飛掠”任務(wù)僅是早期技術(shù)不成熟或其他任務(wù)兼職探測(cè)火星時(shí)使用。環(huán)繞器能全方位研究火星和中繼信號(hào)，但無(wú)法詳細(xì)研究火星表面；著陸器能仔細(xì)研究火星表面的各種細(xì)節(jié)，但無(wú)法移動(dòng)；巡視器（火星車(chē)）可以隨處移動(dòng)，但速度略慢，例如好奇號(hào)火星車(chē)在著陸9年內(nèi)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(wù)復(fù)雜度和實(shí)際預(yù)算對(duì)比，常規(guī)任務(wù)的邏輯基本是“環(huán)繞的比不過(guò)著陸的，著陸的比不過(guò)巡視的”。而機(jī)智號(hào)成功后，則有能力為這個(gè)邏輯再加一句“巡視的比不過(guò)飛行的”。因?yàn)樗茉?-5米的空中飛行，最大水平速度可以達(dá)到10米/秒，單次飛行往返距離可達(dá)100米級(jí)別，遠(yuǎn)超火星車(chē)的能力范圍。

　　這是火星探測(cè)前所未有的新技術(shù)，大幅拓展了研究空間尺度和可獲取的信息量。毅力號(hào)火星車(chē)和機(jī)智號(hào)直升機(jī)組合，也代表了火星探測(cè)的新高度。

　　二、乘風(fēng)而起：超級(jí)集成機(jī)身，超強(qiáng)動(dòng)力系統(tǒng)

　　前往火星是第一道難關(guān)。不過(guò)機(jī)智號(hào)并不是個(gè)獨(dú)立任務(wù)，它主要依托于毅力號(hào)火星車(chē)，在前往火星之旅中它處于折疊狀態(tài)并被保護(hù)起來(lái)，牢牢固定在毅力號(hào)底部，毅力號(hào)通過(guò)“臍帶”為它提供能量和技術(shù)支持。在確認(rèn)測(cè)試區(qū)域后，機(jī)智號(hào)才展開(kāi)并被釋放到火星表面，與毅力號(hào)僅通過(guò)天線保持無(wú)線溝通。

　　抵達(dá)火星后，處于折疊狀態(tài)（左）和展開(kāi)待釋放狀態(tài)（右）的機(jī)智號(hào)（圖源：NASA）

　　火星表面白天氣溫可以超過(guò)20攝氏度，夜晚時(shí)可以低到100攝氏度以下，晝夜溫差巨大?；鹦堑拇艌?chǎng)極弱，抵御強(qiáng)烈宇宙輻射的效果近乎為零，輻射環(huán)境復(fù)雜。早在火箭發(fā)射和著陸火星階段，機(jī)智號(hào)還要面對(duì)劇烈的振動(dòng)和沖擊。因此，能順利踏上火星表面并獨(dú)立生存的機(jī)智號(hào)，可謂已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)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(dòng)較大，這相當(dāng)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(jīng)是直升機(jī)的飛行禁區(qū)。為此，科學(xué)家們需要解決一系列棘手的問(wèn)題。

　　機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)的大致組成（圖源：NASA+作者注釋?zhuān)?/p>

　　首先，要盡可能減輕重量，這是任務(wù)成功的關(guān)鍵，對(duì)于要攜帶眾多核心結(jié)構(gòu)和儀器的機(jī)智號(hào)也是最大的挑戰(zhàn)。小小的機(jī)智號(hào)上，需要很多必備部件。例如，一片用以獲取能量的太陽(yáng)能電池板，兩對(duì)用來(lái)提供足夠升力、直徑達(dá)1.2米的碳纖維旋翼和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，六塊用以儲(chǔ)存太陽(yáng)能和給所有儀器設(shè)備供電的特制鋰離子電池，一個(gè)裝載所有核心處理設(shè)備、溫控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等的機(jī)身，一臺(tái)高清相機(jī)等科研儀器，一個(gè)通信天線，一套融合了慣性傳感器、太陽(yáng)敏感器、視覺(jué)里程計(jì)、導(dǎo)航相機(jī)和激光高度計(jì)等的復(fù)雜導(dǎo)航系統(tǒng)，以及四條支撐腿等核心結(jié)構(gòu)。它還要高度智能，因?yàn)榈鼗鹁嚯x導(dǎo)致的通信時(shí)延使得人類(lèi)不可能控制它飛行。

　　所有的設(shè)計(jì)都必須做到盡量輕、強(qiáng)度高、耐沖擊、耐振動(dòng)、耐溫差、耐輻射，最后的機(jī)智號(hào)被“濃縮”為整體質(zhì)量?jī)H有1.8千克的“小不點(diǎn)”，是科研人員們“絞盡腦汁”的成果。考慮到它8500萬(wàn)美元獨(dú)立預(yù)算，平均每克的成本高達(dá)4.7萬(wàn)美元/克，是黃金單價(jià)的近1000倍！

　　動(dòng)圖：在正式飛行測(cè)試前，機(jī)智號(hào)已經(jīng)進(jìn)行了旋翼旋轉(zhuǎn)測(cè)試并被毅力號(hào)記錄下來(lái)（圖源：NASA）

　　其次，要盡可能獲得大且穩(wěn)定的升力。機(jī)智號(hào)的碳纖維旋翼被設(shè)計(jì)成了共軸反轉(zhuǎn)式系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，可以回避掉常規(guī)直升機(jī)必須攜帶的尾槳，再加上可折疊設(shè)計(jì)，讓占用的體積空間大幅減少。同時(shí)，共軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，抗側(cè)風(fēng)能力更強(qiáng)，懸停和飛行狀態(tài)更加穩(wěn)定，非常適合機(jī)智號(hào)的應(yīng)用需求。不過(guò)這些設(shè)計(jì)還是不夠，“天下武功，唯快不破”，它需要大幅增加轉(zhuǎn)速以滿足升力需求。它的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速高達(dá)2400轉(zhuǎn)/分，極限情況下甚至可以做到更高，這已經(jīng)遠(yuǎn)超地球上直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

　　預(yù)計(jì)飛行效果圖（圖源：NASA）

　　不過(guò)，這里如果要寫(xiě)個(gè)致謝，首要功臣還應(yīng)該是火星。它表面的引力加速度僅為地球的38%左右，這讓機(jī)智號(hào)的重量?jī)H相當(dāng)于在地球上0.7千克物體對(duì)應(yīng)的重量，這是它能飛起來(lái)的核心原因。

　　三、科學(xué)目標(biāo)：技術(shù)測(cè)試為主，為未來(lái)任務(wù)帶來(lái)希望

　　機(jī)智號(hào)身背諸多“人類(lèi)首次”。最核心的使命是完成技術(shù)測(cè)試，預(yù)計(jì)在任務(wù)期間內(nèi)完成5次飛行任務(wù)，為火星探測(cè)和地外天體探測(cè)探索新的技術(shù)維度。因此，它的科學(xué)研究功能并不復(fù)雜，主要聚焦于拍攝高分辨率地面圖像，發(fā)回毅力號(hào)。由于近乎貼地飛行，它核心科學(xué)相機(jī)拍攝的彩色圖片覆蓋范圍更廣、分辨率更高，對(duì)于了解毅力號(hào)周邊環(huán)境有很大意義，相當(dāng)于為它賦予了一雙“火眼金睛”。然而，僅5次飛行任務(wù)，還包括首飛的短期懸停測(cè)試，可想而知并不能真正提升毅力號(hào)的研究能力。飛行期間，毅力號(hào)還要聚焦于它，為它留下火星飛行的美麗合影。

　　未來(lái)的蜻蜓號(hào)泰坦探測(cè)器，將完全顛覆人類(lèi)對(duì)地外天體探測(cè)的技術(shù)途徑（圖源：NASA）

　　這次測(cè)試任務(wù)的成功，不僅徹底打開(kāi)了人類(lèi)對(duì)于火星探測(cè)的技術(shù)發(fā)展空間，也為其他帶有大氣層的地外天體探測(cè)開(kāi)辟了新思路，甚至可能成為主要探測(cè)方式。例如，泰坦是土星最大的衛(wèi)星，那里有著稠密的氮?dú)夂图淄橹鲗?dǎo)的大氣，惠更斯號(hào)著陸器曾經(jīng)在2005年實(shí)現(xiàn)了著陸的偉大壯舉。在未來(lái)的任務(wù)規(guī)劃中，美國(guó)宇航局（NASA）已經(jīng)確定了“蜻蜓號(hào)”任務(wù)，它就是個(gè)純粹的飛行器，利用旋翼飛行系統(tǒng)探索泰坦的大氣和地表，預(yù)計(jì)收獲的科研價(jià)值遠(yuǎn)超定點(diǎn)著陸器。人類(lèi)所熟知的金星，是個(gè)大氣密度遠(yuǎn)超地球的地方，飛行器也是探測(cè)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(lái)的探測(cè)器設(shè)計(jì)思路，也會(huì)被這次火星飛行測(cè)試成功所影響。

　　機(jī)智號(hào)也攜帶著118年前“飛行者一號(hào)”前輩的火星飛行夢(mèng)想（圖源：NASA）

　　讓人欣慰的是，科學(xué)家們也把一份極致的浪漫通過(guò)機(jī)智號(hào)帶到火星。機(jī)智號(hào)太陽(yáng)能電池板下的一條電纜上，覆蓋的是一小片“飛行者一號(hào)”機(jī)翼上覆蓋用的蒙皮。時(shí)隔118年后，它見(jiàn)證了人類(lèi)飛行夢(mèng)想在另一顆星球的起飛。未來(lái)，人類(lèi)的星辰大海之旅還將見(jiàn)證越來(lái)越多的飛行奇跡。

　　這些珍貴的探測(cè)器，不僅為人類(lèi)延展了四肢，讓我們能跨越時(shí)空觸碰這些星球。還為人類(lèi)延展了大腦，讓我們時(shí)刻憧憬著星辰大海的夢(mèng)想。

關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥(niǎo)知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥(niǎo)相關(guān)科普知識(shí)
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動(dòng)詳情