腦洞大開！人類首架地球之外星球上飛行的飛行器即將誕生

【環球網軍事報道】美國宇航局噴氣推進實驗室證實，火星無人直升機將跟隨「火星2020探測車」發射至火星表面，執行飛行任務，對火星進行考察。根據美國大眾機械網5月16日的報道，在火星上飛行雖不容易——那裡空氣稀薄，表面平均大氣壓力約為6毫巴（0.09磅/平方英寸），不到地球海平面氣壓的0.06％，然而，噴氣推進實驗室依然堅持要實現讓直升機在那顆紅色星球上飛行的願望。

在火星上升空的挑戰

報道稱，美國宇航局估計，小型飛行器在火星的空中能停留大約90秒，但僅僅那一分半鐘的升空，也挑戰著現代電子和材料科學的極限。

旋翼飛機在稀薄的空氣中實現升空的主要方法是快速旋轉槳葉。根據著陸點的大氣密度，火星直升機的旋翼槳葉將以每分鐘2300到2800轉的速度旋轉，這比直升機的平均旋翼轉速要快5至10倍。

快速旋轉槳葉需要強勁的動力。火星直升機的動力傳動系統將由八台電機驅動，其中一台無刷直流電機用於旋轉兩個旋翼，三台有刷直流電機用於驅動每個旋翼的旋轉斜板，控制旋翼槳葉的運動。每台電機的直徑只有大約兩英寸，但都無所不用其極。

據噴氣推進實驗室火星直升機項目負責人Mimi Aung透露，火星直升機的電機非常高效，它們經過專門設計，演算法嚴謹。整個設計考慮了火星特有的環境。兩個1.2米大小、擁有兩片槳葉的旋翼相互逆向旋轉，可相互有效地抵消扭力。由於頂部旋翼產生的氣流增加，反向旋轉系統的效率也提高了大約10％。

報道稱，除動力或旋翼效率外，要使直升機在火星上升空，還要儘可能減輕機身重量。

由於火星上引力較小（約為地球引力的38％），火星直升機上可以安裝多一些部件。但即便如此，整架直升機的重量也不得超過1.8公斤（4磅）。為了減輕重量，噴氣推進實驗室採用碳素纖維來製造主要結構部件，比如碳質旋翼中的泡沫芯和炭管著陸腿（foam cores and carbon tube landing legs）。

報道援引Aung的話說，對於機身的其他部件，美國宇航局利用了「在15年前還不存在的輕型商用現成組件方面的優勢」。感測器、攝像頭和計算機晶元組件——這些手機上常見的電子部件已在高輻射環境下進行過測試，確保它們在火星上也能運轉。

佔據直升機大部分重量的六芯鋰離子電池組具有高達510瓦的峰值功率容量。電子設備將安裝在飛行器的機身內，加上熱塗層和加熱器，這些電子設備得以在火星上寒冷的夜晚保持溫度。火星直升機將利用安裝在頂部旋翼上方的太陽能電池板作為電力來源。Aung表示，在10年或15年前，太陽能電池板技術還無法使在火星上飛行成為可能。

報道稱，火星直升機的第一次飛行在噴氣推進實驗室一座模擬火星環境的壓力艙內的一個1/3比例的驗證機上進行，項目團隊證明了在火星稀薄的空氣中升空的可能性。然而升空後涉及的工作比這更具挑戰性。

直升機的飛行需要靠它自己

Aung表示，由於距離太遠，從地球遠程操縱直升機是不可能的。即使在光速下，也需要4到24分鐘才能接收到來自火星的無線電信號。而飛行器必須在那個時間段內就完成起飛和著陸，因此，火星直升機需要靠它自己實現飛行。

在地球上，自動飛行相對來說是一項新興技術。但到了火星上則需要回歸基本原理。報道援引Aung的分析說，一片槳葉在稀薄的空氣中運動涉及動力學和飛行器反應的方式。槳葉撞擊空氣時，飛行器起反應，繼而移動——這其中的動力行為在火星上不同於在非常厚的大氣中的情況。

報道稱，為了讓事情簡單一點，火星直升機將只在風力很小的平靜環境中飛行。但即便如此，在外星環境中控制飛行還是一個重大的挑戰。為了建立自動飛行控制系統，噴氣推進實驗室應用計算流體動力學虛擬模擬火星大氣層，觀察旋翼結構的橫截面以了解其行為。這些模型的數據被輸入火星直升機的飛行控制計算機內，使飛行器能夠回應稀薄的大氣對旋翼性能的影響。

由於從來沒有人為火星造過直升機，所以如何測試火星直升機也是一個問題。報道稱，美國宇航局製造了一個全尺寸的樣機在壓力艙內進行測試。除了將大氣壓力降低到火星水平，噴氣推進實驗室還將二氧化碳輸進壓力艙內，模擬火星空氣的成分，即95%的CO2。

噴氣推進實驗室的工程師製造了第三台樣機，證明所有電子元件、飛行控制裝置、旋翼部件和機身結構實際上可以裝入一架1.8千克的飛行器內，接著再移除樣機中的一些部件以減輕重量，模擬火星上減小的引力環境，然後一次又一次地進行飛行測試。

報道稱，即使通過所有這些測試之後，無人直升機是否能在火星上飛行的問題，還是只能在它真正抵達火星時才能得到解答。因為真實的表現最終怎麼樣是未知的。現在火星直升機只是一個技術驗證機， 是追隨於「火星2020探測車」的任務。如果它完全失敗，也不會影響美國宇航局的旗艦型火星任務。

在其他世界的天空中翱翔

報道稱，噴氣推動實驗室正在設計最後的火星直升機。它將在未來兩年內，也就是2020年夏季發射升空前，完成製造和測試。「火星2020探測車」將把直升機捆綁在它的引擎導流板上，在長達六個月的太空飛行後抵達火星。它將採用與綽號為「空中吊車」的好奇號火星車相同的推進式進入、下降和著陸（EDL）系統。

部署火星直升機後，「火星2020探測車」將在未來幾年裡研究火星的地理環境。但對於直升機，任務將即刻啟動。任務團隊計劃在30個火星日的(Martian day)測試窗口內飛行至少5次，逐漸加長飛行時間，最終實現90秒內在火星的天空中巡航幾百米。

報道稱，第一次飛行中，這架小型直升機將在3米高的地方盤旋30秒，成為首架在地球之外的星球上飛行的飛行器。

如果火星直升機真的升空了，它將會在未來產生很深遠的影響。在外星中開發空中旅行將給外星探索增加一個空間維度。外星上的飛行器可以比軌道衛星更詳細地勘測星球的表面，也可以到達該星球懸崖、火山、洞穴等探測車和人類都難以接近的地方。

報道稱，科學家們已在探討將旋翼飛行器送到土星的衛星「泰坦」上，從而提供那個神秘世界的鳥瞰視圖。「泰坦」空氣較厚，在上面飛行比在空氣稀薄的火星上飛行要容易得多。

報道最後援引了飛機的發明者萊特兄弟曾經說過的話：「飛行的慾望是我們的祖先流傳給我們的，他們在史前時代艱難地穿越在沒有道路的土地上時，非常羨慕那些在空中自由飛翔的鳥類——它們越過一切障礙，在空中無垠的高速公路上全速飛行。」

報道表示，現在是時候把這種飛行的慾望放眼於地球之外了——從外星的塵埃中升起，在其他世界的天空中翱翔。

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