飞行在火星上空的“机智号”

1903年12月17日，美国发明家莱特兄弟驾驶自制飞行器进行了飞行试验。他们驾驶一架比空气重的飞行器通过持续且受控的动力飞到大约36米的高度，并持续了12秒。这次历史性的飞行为飞机的实用化奠定了基础。

100多年之后，又有一架飞行器重现了“莱特兄弟时刻”。这架只有1.8公斤重、49厘米高的螺旋桨飞行器“机智号”（Ingenuity）将人类的飞行梦想拓展到了另一个星球，也为人类的太空探测开启了无穷的可能性。

“机智号”火星直升机与“毅力号”（Perseverance）火星车一起，在2021年2月登陆火星。作为人类在地球之外的天体上进行的史无前例的飞行试验设备，机智号并没有携带任何的科学仪器，想要在火星的上空飞行，困难可想而知。火星并非地球，两颗行星自然环境的差异非常明显：火星的引力只有地球的三分之一，而火星的大气密度则只有地球的百分之一；火星的日夜温差非常大，寒夜温度可能低至零下90摄氏度，这可能会对机智号的一些部件造成损伤；机智号的动力来自太阳能，而同样条件下在火星能够获取的太阳能也只有地球的一半。

美国航空航天局（NASA）的研究人员总共花费了6年多时间和8500万美元，从一个想法开始，终于设计出机智号这款有可能在火星上空飞行的螺旋桨飞行器，随毅力号一起到达火星，并且计划在30个火星日（大约31个地球日）的时间里总共进行5次飞行试验。为了纪念莱特兄弟，机智号内部还携带了一片曾经覆盖在莱特兄弟首飞飞行器上的邮票大小的纱布。

火星表面的引力只有地球的三分之一，这对飞行器来说是个好消息，说明飞行器只需要更小的升力就能够升空。但问题在于，火星大气的密度太低。螺旋桨飞行器想要获得升力，需要叶片与大气分子发生相互作用，所以想要在火星的大气中获得足够的升力，机智号就需要相比之下更大的叶片、更快的旋转速度。正因如此，机智号装备了两个1.2米宽的螺旋桨，并且螺旋桨的旋转速度足以达到每分钟2400转，比地球上的直升机的转速快了6倍。

此前在地球实验室的模拟环境里，机智号能够顺利起飞，但是在到达火星之后一切是否还能正常运转就是另外一回事了。在美国加州的机智号团队观测着一系列“规定动作”，看机智号能否依次实现：首先要顺利登陆火星，其次是机智号能否从毅力号中顺利被释放，能否在火星的夜里通过加热器保持温度，能否通过太阳能面板为自己充电，能否通过毅力号成功地与地球联系。当然，最重要的是，能否顺利地在火星上空飞行。

为了让机智号在火星上空飞行，首先需要在毅力号的火星着陆点附近找一块合适的飞行场地。通过毅力号的摄像头，地球团队仔细观察了附近的每一个小石子，终于为机智号选择了一块大约100平方米的平坦区域作为飞行场地。在准备充分之后，毅力号驶入预定区域，将机智号从“体内”取出、翻转，最后一次为机智号充电，然后将它放置在火星表面，确认其已经平安着陆，与地球联络，然后便退出飞行场地并且为机智号拍照——光是这个过程就花费了6天时间。而在离开毅力号之后，机智号便开始利用自身的太阳能面板充电，并试着转动叶片，开启内部的加热器，准备度过第一个寒冷的火星夜晚。

机智号只有30个火星日的时间进行飞行试验——之后毅力号将会开始进行其他科学实验，寻找火星生命的痕迹。但在飞行试验的一开始便发生了一点儿小小的差错。在地球上的机智号工程师们花费了一个星期的时间，才把机智号的模式从“准备起飞模式”（Pre-Flight Mode）转变为“飞行模式”（Flight Mode）。

机智号在火星的首飞计划极为简单，只需要完成几个既定动作：上升，悬停，转向，着陆。在飞行的同时它还需要不断地对着地面拍照，以确认自身的位置，以防被火星的狂风吹得偏离了位置。但是这一切都需要机智号根据程序来“自己”做出决定。从火星到地球的通信需要通过毅力号转发至火星轨道上的卫星，再发送至地球的深空网络，最后到达地球。考虑到地球与火星之间的距离，地球不可能对机智号的飞行进行实时监测。机智号的首次飞行要由其自身携带的导航和控制系统完成。

北京时间2021年4月19日18点46分，位于美国加州的喷气动力实验室（JPL）收到了来自毅力号火星车的确认信息。人们终于确定，机智号火星直升机刚刚进行了一次历史性的飞行。机智号成为了人类历史上第一架在其他星球上空进行有动力、受控飞行的飞行器。

机智号是在北京时间4月19日15点34分首次升空，这个时间正是火星的正午，科学家们认为最适合直升机的飞行。数据显示，机智号飞到了最高3米的高度，并且在空中悬停了30秒，随后在火星的地面降落，整个飞行持续了39.1秒。

继4月19日成功首飞之后，机智号在4月22日又进行了第二次飞行。除了令全球瞩目的历史意义之外，飞行器可以在地球之外的星球飞行，还有很多潜在的意义。这项技术可以在未来用于对火星，甚至其他星球进行空中探测，覆盖面积更广，也不受地形限制；还可以利用飞行器携带科学仪器，从一个地点转移到另一个地点。

机智号的成功也给其他的太空探测计划带来了信心。一个与机智号类似，但是更大胆的太空探测计划正在酝酿之中。NASA计划在2027年发射一个探测器前往土卫六“泰坦”（Titan），最终在2034年到达。在计划中有一个名为“蜻蜓”（Dragonfly）的飞行器用来探测泰坦的环境，寻找生命可能留下的信息。相比之下，蜻蜓飞行器更加大胆、难度更大，还将携带科学仪器对泰坦的赛尔克撞击坑（Selk Impact Crater）进行探测。

在好奇心的驱使之下，人类探索宇宙的步伐不会停止，手段也会越来越丰富。除了传统的卫星和探测车之外，人们还要上天入地。或许在未来，还会有潜水艇去探测地外星球的冰下海洋。

（本文写作参考了美国航空航天局网站以及相关媒体的报道） 火星大气火星卫星火星