本文来自微信公众号：中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：Mitch Leslie，原文标题：《“机智号”火星直升机超预期完成任务丨Engineering》，头图来自：NASA
2021年4月19日，“机智号”火星直升机（简称“机智号”）的双旋翼搅动着火星的大气层，美国国家航空航天局（NASA）的这架小型直升机从火星起飞了。这架0.5 m高的直升机由位于美国加利福尼亚州的NASA喷气推进实验室设计并制造。它在火星并没有展现任何飞行特技，只是爬升至海拔3 m的高度，盘旋了一会儿，翻转96°，然后着陆了。但是这次39 s长的飞行意义非凡，因为它是第一个在地球外飞行的飞行器。
NASA旨在通过“机智号”去证明此类飞行是可行的，并且也确实成功了。加拿大安大略省多伦多约克大学的物理与天文学助理教授Jesse Rogerson说，光这一项成就就已经非常了不起了。然而其也取得了其他成就，比如比工程师预测的更远的飞行距离、更快的飞行速度和更多的飞行次数。NASA也表示，“机智号”可与“毅力号”漫游车（简称“毅力号”）一同工作，虽然这并非最初任务的一部分（图1、图2）。Rogerson认为，“机智号”的表现意味着类似飞行器可以在火星探索上扮演重要角色，可与漫游车、轨道卫星甚至宇航员协同工作。
图1. 一名艺术家的印象画。画中NASA“毅力号”在火星表面搜集样本，而“机智号”在“毅力号”上方飞行。直升机在前11次任务中的飞行距离累计超过2000 m，飞行最大海拔高度为12 m。来源：NASA/JPL-Caltech。
图2. “毅力号”于2021年4月22日拍下的“机智号”起飞的照片。这次起飞比三天前第一次起飞还要好，飞行了4 m，转了3圈，在空中飞行时长接近52 s。来源：NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS。
让一架直升机在火星上起飞，需要精巧的工程技术。虽然火星引力大约只有地球引力的40%，但大气层密度只有地球上大气层密度的1%，这让直升机难以起飞。在火星表面附近飞行相当于在地球上海拔30500 m的高度飞行，比地球上直升机的最高飞行纪录高20000 m。
对于“机智号”，摆在设计者团队（由首席工程师J. “Bob” Balaram带领）面前最大的问题是减重。他们将直升机质量降低至1.8 kg。“机智号”上没有安装探测火星地表的科学仪器，其着陆主要依靠由碳纤维和环氧树脂制成的轻质起落架。它的双旋翼由覆盖碳纤维外壳的泡沫芯组成，质量均不超过70 g。这些材料不易弯曲，能帮助“机智号”降低在火星稀薄的大气层中容易出现的震动。为了产生足以离地的升力，旋翼相对较大，两翼间距离为1.2 m。同时直升机的轻型构架使其转速能达到每分钟2400转，比地球上直升机旋翼的转速快5倍。
“机智号”旋翼的转动由8个电动机提供动力，电动机由6块锂离子电池供电。“机智号”上的太阳能电池板可以给电池充电，其也被用于在火星夜晚-90 ℃的情况下加热直升机，保持机身温度正常。由于地球上的信号需要10 min才能抵达火星，NASA的地面控制中心不能像控制无人机一样控制“机智号”。因此，他们为“机智号”专门设计了一套飞行计划。“机智号”会自动沿着设定的路线飞行，借助激光测高计、测斜仪、惯性测量装置（用于测量加速度与旋度），以及一个后置黑白摄像机控制自身位置与行动。
“机智号”悬挂在“毅力号”下，跟随“毅力号”一同于2021年2月来到火星。“毅力号”目前正在探索耶泽洛陨石坑（Jezero crater）。在直升机与漫游车分离并充电后，NASA希望其能运行大概一个月。根据其技术参数，“机智号”每次应该都能飞行300 m以上，悬停90 s并爬升至5 m的高度。但在“机智号”第五次飞行中，它一次性爬升到了10 m高，并悬停了117 s。
因此，NASA并没有选择在原定的一个月后停用直升机，而是选择测试“机智号”的极限。“机智号”在第六次飞行中也从NASA所称的“异常”状态恢复为正常状态。这架直升机因为图像分析系统的小故障意外倾斜了20°，随后又通过该系统引导，将自身角度调整至正常。而且“机智号”还在不断刷新速度、距离和飞行时间纪录。
这架直升机展示出其可以协助“毅力号”完成探测任务的潜力。在2021年7月5日，在第九次探测任务中，“机智号”在耶泽洛陨石坑的Séítah区域上飞行了2 min 46 s。这片区域充满沙丘，对于“毅力号”来说难以踏足。这次飞行是对“机智号”能力的极大考验，原因是其导航算法只能在地面平整的情况下才能发挥作用，但是直升机必须穿过火山口或其他不规则地形，导致其容易偏离飞行路线。“机智号”的控制器发送指令，让直升机自行抵消影响。例如，当它进入陨石坑后会减速，从而尽可能降低飞行路线的偏移程度。直升机拍下的照片将帮助“毅力号”团队规划漫游车的路线。“机智号”在2021年7月24日进行了第十次飞行，距离长达233 m，同时拍下了“凸起山脊”（Raised Ridges）的图片，以帮助“毅力号”进行后续探索。
美国马里兰大学帕克分校航空航天工程专业的副教授Anubhav Datta说道：“‘机智号’代表着重大进步，它给我们提供了宝贵的数据和资料，让我们可以建造更大、更好的直升机，以在未来100年进行火星探索，帮助人类完成载人飞行任务。‘机智号’提供的数据将帮助我们纠正、精炼、校准设计和模拟工具，然后用于建造下一代更大型的飞行器。”Datta所在的工程师小组正在设计一架质量为20 kg的运载工具，名为火星科学直升机（Mars Science Helicopter）。该飞行器有6个旋翼，负载5 kg。
他还说，在现有技术下，质量为30 kg的火星直升机是有可能实现的，未来火星直升机的质量可以达到50 kg。这些运载工具虽然不能搭载宇航员，但是可以运输工具和其他小型货物，并帮助调查漫游车无法到达的区域，比如巨砾原或悬崖。
有些专家质疑建造能在火星上飞行的直升机是否值得。像“毅力号”，以及2021年5月14日登陆火星的中国“祝融号”等漫游车，可能会更经济有效地促进探索。漫游车可用的仪器比直升机多，而且技术也经过实践证明。但是，Rogerson认为，通过展示“机智号”协助“毅力号”执行任务的过程，NASA强有力地证明了直升机有利于火星探索。他说：“这些成就告诉我们，多运载工具任务有助于增强科学研究。”
这些直升机的目的地也不只是火星。NASA正在开发“蜻蜓号”（Dragonfly）——一个八旋翼直升机，将被用于探测充满氮气的土卫六（Titan）。这颗卫星可能具备生命诞生所必需的条件。这项任务将于2027年启动，“蜻蜓号”将于2035年抵达土卫六。因为土卫六的大气层密度是地球大气层密度的4倍，所以产生的升力比火星上的大。Rogerson说道：“‘机智号’开创了小型直升机探索太阳系星球的先河。我们将见证无人机技术进入太空探索领域。”
改编原文：
Mitch Leslie.Mars Helicopter Exceeds Expectations[J].Engineering，2021，7(11):1511-1512.
本文来自微信公众号：中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：Mitch Leslie