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且受控的動力飛行，人類從(cong) 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(liang) 次劃時代意義(yi) 的突破（圖源：公共版權）

　　2021年4月19日，火星。在預裝軟件控製下，“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(ti) 大氣中持續且受控的動力飛行，標誌著人類深空探測進入嶄新的“飛行”時代。

　　一、承前啟後：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(yu) 地球有著相似的演化曆史與(yu) 未來。這裏有大氣、水、有機物的存在，表麵積與(yu) 地球陸地總麵積接近，各類資源豐(feng) 富。它處在太陽係內(nei) 宜居帶上，關(guan) 於(yu) 火星生命的探尋一直是探測焦點之一。因此，這裏也集中了人類對行星際空間探測的技術極致。

　　機智號為(wei) 人類新增了一種火星探測技術方案（圖源：作者繪製）

　　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“環繞”，觀天測地的“降落”和自由移動的“巡視”，整體(ti) 難度越來越大。

　　其中，“飛掠”任務僅(jin) 是早期技術不成熟或其他任務兼職探測火星時使用。環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麵；著陸器能仔細研究火星表麵的各種細節，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(nei) 才爬行了25.1千米，平均每天行駛距離還不足8米。

　　按照任務複雜度和實際預算對比，常規任務的邏輯基本是“環繞的比不過著陸的，著陸的比不過巡視的”。而機智號成功後，則有能力為(wei) 這個(ge) 邏輯再加一句“巡視的比不過飛行的”。因為(wei) 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，遠超火星車的能力範圍。

　　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，超強動力係統

　　前往火星是第一道難關(guan) 。不過機智號並不是個(ge) 獨立任務，它主要依托於(yu) 毅力號火星車，在前往火星之旅中它處於(yu) 折疊狀態並被保護起來，牢牢固定在毅力號底部，毅力號通過“臍帶”為(wei) 它提供能量和技術支持。在確認測試區域後，機智號才展開並被釋放到火星表麵，與(yu) 毅力號僅(jin) 通過天線保持無線溝通。

　　抵達火星後，處於(yu) 折疊狀態（左）和展開待釋放狀態（右）的機智號（圖源：NASA）

　　火星表麵白天氣溫可以超過20攝氏度，夜晚時可以低到100攝氏度以下，晝夜溫差巨大。火星的磁場極弱，抵禦強烈宇宙輻射的效果近乎為(wei) 零，輻射環境複雜。早在火箭發射和著陸火星階段，機智號還要麵對劇烈的振動和衝(chong) 擊。因此，能順利踏上火星表麵並獨立生存的機智號，可謂已經經曆過重重磨難的洗禮。

　　在火星上飛行並非易事，最大挑戰在於(yu) 火星表麵的空氣密度和氣壓還不足地球表麵的1%，且變動較大，這相當於(yu) 地球在約30千米高度的大氣狀態。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。為(wei) 此，科學家們(men) 需要解決(jue) 一係列棘手的問題。

　　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(guan) 鍵，對於(yu) 要攜帶眾(zhong) 多核心結構和儀(yi) 器的機智號也是最大的挑戰。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(liang) 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(chu) 存太陽能和給所有儀(yi) 器設備供電的特製鋰離子電池，一個(ge) 裝載所有核心處理設備、溫控係統和控製係統等的機身，一台高清相機等科研儀(yi) 器，一個(ge) 通信天線，一套融合了慣性傳(chuan) 感器、太陽敏感器、視覺裏程計、導航相機和激光高度計等的複雜導航係統，以及四條支撐腿等核心結構。它還要高度智能，因為(wei) 地火距離導致的通信時延使得人類不可能控製它飛行。

　　所有的設計都必須做到盡量輕、強度高、耐衝(chong) 擊、耐振動、耐溫差、耐輻射，最後的機智號被“濃縮”為(wei) 整體(ti) 質量僅(jin) 有1.8千克的“小不點”，是科研人員們(men) “絞盡腦汁”的成果。考慮到它8500萬(wan) 美元獨立預算，平均每克的成本高達4.7萬(wan) 美元/克，是黃金單價(jia) 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並被毅力號記錄下來（圖源：NASA）

　　其次，要盡可能獲得大且穩定的升力。機智號的碳纖維旋翼被設計成了共軸反轉式係統，這種設計傳(chuan) 動係統更加簡單，可以回避掉常規直升機必須攜帶的尾槳，再加上可折疊設計，讓占用的體(ti) 積空間大幅減少。同時，共軸旋轉的轉動慣量小，抗側(ce) 風能力更強，懸停和飛行狀態更加穩定，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，這裏如果要寫(xie) 個(ge) 致謝，首要功臣還應該是火星。它表麵的引力加速度僅(jin) 為(wei) 地球的38%左右，這讓機智號的重量僅(jin) 相當於(yu) 在地球上0.7千克物體(ti) 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(wei) 主，為(wei) 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(nei) 完成5次飛行任務，為(wei) 火星探測和地外天體(ti) 探測探索新的技術維度。因此，它的科學研究功能並不複雜，主要聚焦於(yu) 拍攝高分辨率地麵圖像，發回毅力號。由於(yu) 近乎貼地飛行，它核心科學相機拍攝的彩色圖片覆蓋範圍更廣、分辨率更高，對於(yu) 了解毅力號周邊環境有很大意義(yi) ，相當於(yu) 為(wei) 它賦予了一雙“火眼金睛”。然而，僅(jin) 5次飛行任務，還包括首飛的短期懸停測試，可想而知並不能真正提升毅力號的研究能力。飛行期間，毅力號還要聚焦於(yu) 它，為(wei) 它留下火星飛行的美麗(li) 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(ti) 探測的技術途徑（圖源：NASA）

　　這次測試任務的成功，不僅(jin) 徹底打開了人類對於(yu) 火星探測的技術發展空間，也為(wei) 其他帶有大氣層的地外天體(ti) 探測開辟了新思路，甚至可能成為(wei) 主要探測方式。例如，泰坦是土星最大的衛星，那裏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(wei) 大壯舉(ju) 。在未來的任務規劃中，美國宇航局（NASA）已經確定了“蜻蜓號”任務，它就是個(ge) 純粹的飛行器，利用旋翼飛行係統探索泰坦的大氣和地表，預計收獲的科研價(jia) 值遠超定點著陸器。人類所熟知的金星，是個(ge) 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(hui) 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(men) 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年後，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(jin) 為(wei) 人類延展了四肢，讓我們(men) 能跨越時空觸碰這些星球。還為(wei) 人類延展了大腦，讓我們(men) 時刻憧憬著星辰大海的夢想。

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