機(jī)智號(hào)黑白導(dǎo)航相機(jī)在飛行期間拍攝的照片（圖片來(lái)源：NASA）
在耶澤羅隕擊坑的平原上，機(jī)智號(hào)1.2米長(zhǎng)的葉片以每分鐘2500轉(zhuǎn)的速度飛速旋轉(zhuǎn)，在1%個(gè)大氣壓的稀薄大氣中托起自己1.8千克的機(jī)身……就在剛剛，機(jī)智號(hào)火星首飛成功的消息傳回NASA控制中心，人類飛行器在地球之外實(shí)現(xiàn)了首次動(dòng)力受控飛行。
撰文｜王昱
審校｜吳非
經(jīng)歷過(guò)多次推遲，并在火星上完成了一次軟件更新后，在毅力號(hào)的注視下，機(jī)智號(hào)無(wú)人直升機(jī)完成了它的首次飛行。機(jī)智號(hào)在3米的高度盤旋了約20秒后降落，加上上升和降落，飛行整體持續(xù)30秒左右。盡管在火星飛行困難重重，NASA還是擠出一點(diǎn)重量，在機(jī)智號(hào)上放了一塊萊特兄弟“飛行者一號(hào)”的零件，以此紀(jì)念本次飛行的重要意義。
1903年，萊特兄弟駕著他們的“飛行者一號(hào)”起飛時(shí)，不知道他們能否想到一百多年后，人類的飛行器也能在這顆紅色星球上“御風(fēng)而行”。那時(shí)甚至還沒(méi)有“科幻”這一概念，基于當(dāng)時(shí)對(duì)火星模糊不清的觀測(cè)，甚至有人稱火星上存在運(yùn)河。在此后的一個(gè)多世紀(jì)，人類的認(rèn)知邊界和技術(shù)實(shí)力呈指數(shù)上漲。我們把探測(cè)器送上了這顆充滿未知的紅色星球，而今天，我們終于實(shí)現(xiàn)了火星表面的飛行。
機(jī)智號(hào)（圖片來(lái)源：NASA）
生存
火星直升機(jī)示意圖（圖片來(lái)源：NASA/JPL-Caltech）
擁有核電池的毅力號(hào)自然不用擔(dān)心能源問(wèn)題，機(jī)智號(hào)附著在毅力號(hào)上時(shí)，尚且可以依靠毅力號(hào)的能源保溫。但機(jī)智號(hào)畢竟還是要離開(kāi)毅力號(hào)的，在拋掉保護(hù)罩，緩慢展開(kāi)，并將六塊鋰離子電池充滿之后，機(jī)智號(hào)被放置在火星表面。將機(jī)智號(hào)放下后，毅力號(hào)盡快駛離，讓機(jī)智號(hào)獲得太陽(yáng)能。依靠著它上方的太陽(yáng)能板和內(nèi)部的電池，機(jī)智號(hào)順利撐過(guò)了火星寒冷的夜晚。
毅力號(hào)和機(jī)智號(hào)的自拍（圖片來(lái)源：NASA）
我們當(dāng)然也需要和機(jī)智號(hào)保持聯(lián)絡(luò)，但生存下來(lái)就已不易，更別提在它上面安裝高功率天線了。而這時(shí)，毅力號(hào)就充當(dāng)了中轉(zhuǎn)站的作用。機(jī)智號(hào)可以在1千米內(nèi)和毅力號(hào)保持通訊，前者的狀態(tài)信息會(huì)被傳到火星人造衛(wèi)星上，信號(hào)再以光速飛行16分鐘，才能到達(dá)地球。
起飛
生存下來(lái)后，如何在火星起飛依然是個(gè)問(wèn)題。即使火星是太陽(yáng)系內(nèi)和地球最接近的星球，兩者之間還是存在巨大差異。對(duì)于飛行來(lái)說(shuō)，最明顯的區(qū)別就是火星表面大氣密度只有地球密度的1%。地球上的直升機(jī)都存在升限，就算是只有4000米海拔的青藏高原，大多數(shù)直升機(jī)就已經(jīng)難以飛行。而火星地表1%大氣壓的密度，相當(dāng)于地球上3萬(wàn)米的高空。
由于大氣過(guò)于稀薄，雖然火星表面重力大約只有地球表面的1/3，機(jī)智號(hào)仍然需要盡可能減輕自己的重量。為了讓機(jī)智號(hào)能夠在火星上飛行，它還必須足夠堅(jiān)固，能夠承受高轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)。為此，機(jī)智號(hào)的旋翼、支腳都使用碳纖維構(gòu)成。最終，這個(gè)翼展1.2米的直升機(jī)質(zhì)量?jī)H有1.8千克，不少人手上的筆記本電腦都比它重。
和1.8千克重量對(duì)應(yīng)的，是機(jī)智號(hào)旋翼快得有些不真實(shí)的轉(zhuǎn)速。地球上的直升機(jī)主旋翼轉(zhuǎn)速一般為每分鐘300轉(zhuǎn)左右，而機(jī)智號(hào)為每分鐘2500轉(zhuǎn)。飛行時(shí)機(jī)智號(hào)的峰值功率可達(dá)350瓦，核動(dòng)力的毅力號(hào)功率也不過(guò)110瓦。在地球上這個(gè)轉(zhuǎn)速聽(tīng)起來(lái)可能有些不可思議，不過(guò)也正是由于火星表面過(guò)低的氣壓，這個(gè)轉(zhuǎn)速才成為可能。但轉(zhuǎn)速也只能提升到這個(gè)級(jí)別了，火星表面240米每秒的聲速限制了直升機(jī)的翼展和轉(zhuǎn)速，超音速后翼尖會(huì)產(chǎn)生劇烈震顫，威脅飛行安全。
機(jī)智號(hào)原型在實(shí)驗(yàn)室中的試飛（圖片來(lái)源：NASA）
另外，目前地球和火星之間的距離在16光分左右，而機(jī)智號(hào)飛行時(shí)間最多不過(guò)90秒，因此機(jī)智號(hào)必須實(shí)現(xiàn)全自主飛行，實(shí)時(shí)調(diào)控飛行參數(shù)。為此，機(jī)智號(hào)搭載了高通驍龍Robotics Flight 801平臺(tái)，其核心正是高通驍龍801芯片，大約是七年前的旗艦手機(jī)芯片。而機(jī)智號(hào)上面還搭載了黑白、彩色兩個(gè)相機(jī)，可以在火星上航拍。第一次飛行拍攝了4張黑白照片和3張彩色照片，受數(shù)據(jù)傳輸限制，會(huì)在3天后傳回地球。
就像在地球上那樣，飛行器起飛對(duì)天氣有嚴(yán)格的要求。機(jī)智號(hào)會(huì)根據(jù)毅力號(hào)上火星環(huán)境動(dòng)態(tài)分析儀（Mars Environmental Dynamics Analyzer，MEDA）的數(shù)據(jù)，推測(cè)火星上的天氣情況，在電池電量良好的前提下，選擇風(fēng)力最小時(shí)起飛。
未來(lái)
這次任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)巨大，在起飛之前沒(méi)人能知道它是否能成功，所以這個(gè)耗費(fèi)8500萬(wàn)美元的無(wú)人機(jī)沒(méi)有被賦予任何科學(xué)目標(biāo)。它甚至不能算作毅力號(hào)的一個(gè)科學(xué)任務(wù)，而是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性的技術(shù)驗(yàn)證，可以說(shuō)是一次豪賭。這次飛行驗(yàn)證了將來(lái)火星飛行探測(cè)器的可行性，甚至為未來(lái)火星宇航員使用無(wú)人機(jī)打下基礎(chǔ)。
機(jī)智號(hào)的設(shè)計(jì)飛行計(jì)劃是，在30個(gè)火星日（31個(gè)地球日）的實(shí)驗(yàn)窗口進(jìn)行至少一次飛行。但他們實(shí)際想達(dá)成的遠(yuǎn)不止如此。在接下來(lái)的飛行中，機(jī)智號(hào)將繼續(xù)依靠太陽(yáng)能板充電。第二次飛行將會(huì)飛到5米高，平移幾米距離，飛行90秒后降落。第三次飛行則會(huì)測(cè)試機(jī)智號(hào)的飛行性能極限，最多飛到50米外再返回。第四、第五次飛行則依靠之前飛行獲得的數(shù)據(jù)決定。每次飛行，毅力號(hào)都會(huì)將它的鏡頭對(duì)準(zhǔn)它在機(jī)智號(hào)，提供更多機(jī)智號(hào)在火星上的飛行照片。毅力號(hào)還會(huì)在機(jī)智號(hào)飛行過(guò)程中嘗試錄音，如果可能的話，甚至?xí)囊粌啥我曨l。
未來(lái)機(jī)智號(hào)在火星表面飛行的想象動(dòng)畫(huà)（圖片來(lái)源：NASA）
NASA一直以探索者自居，他們一直在思考如何在大眾中更好地傳播科學(xué)知識(shí)，讓所有人都能參與宇宙探索，毅力號(hào)和機(jī)智號(hào)自然也是他們不會(huì)放過(guò)的重要機(jī)會(huì)。毅力號(hào)、機(jī)智號(hào)的裝配全程其實(shí)一直都在網(wǎng)上直播。毅力號(hào)上還附帶了一塊刻有10932295名網(wǎng)友姓名的硅片，一些我們的讀者朋友也參加了這項(xiàng)活動(dòng)。就連毅力號(hào)著陸過(guò)程中的降落傘，都埋有彩蛋。到目前為止，毅力號(hào)任務(wù)已經(jīng)回傳并公開(kāi)了3萬(wàn)多張照片。
如果將目光望向更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)，機(jī)智號(hào)的起飛應(yīng)該算得上人類對(duì)外星球探測(cè)中，一個(gè)不大不小的里程碑。面對(duì)今天的機(jī)智號(hào)，我們難以想象一百年后人類還能達(dá)成怎樣的成就。但有一點(diǎn)可以肯定，面對(duì)未知，人類探索的腳步永遠(yuǎn)不會(huì)停歇。
參考鏈接：
https://mars.nasa.gov/files/mars2020/MarsHelicopterIngenuity_FactSheet.pdf
https://mars.nasa.gov/resources/25530/mars-helicopter-ingenuity-landing-press-kit/
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