出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院计算机网络信息中心
1903年12月17日，地球。莱特兄弟驾驶着比空气重的“飞行者一号”飞机，实现了在地球大气中持续且受控的动力飞行，人类从此进入飞行时代。飞机极大拓展了人类四肢能够延展的空间，推动人类进入全球化时代。
人类飞行器两次划时代意义的突破（图源：公共版权）
2021年4月19日，火星。在预装软件控制下，“机智号”直升机在火星大气中完成了30秒悬停，这是人类飞行器首次在地外天体大气中持续且受控的动力飞行，标志着人类深空探测进入崭新的“飞行”时代。
一、承前启后：人类火星探测的新维度
火星是地球的近邻，是颗类地行星，与地球有着相似的演化历史与未来。这里有大气、水、有机物的存在，表面积与地球陆地总面积接近，各类资源丰富。它处在太阳系内宜居带上，关于火星生命的探寻一直是探测焦点之一。因此，这里也集中了人类对行星际空间探测的技术极致。
机智号为人类新增了一种火星探测技术方案（图源：作者绘制）
在机智号出现之前，共有四种火星探测方案。惊鸿一瞥的“飞掠”，登高望远的“环绕”，观天测地的“降落”和自由移动的“巡视”，整体难度越来越大。
其中，“飞掠”任务仅是早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用。环绕器能全方位研究火星和中继信号，但无法详细研究火星表面；着陆器能仔细研究火星表面的各种细节，但无法移动；巡视器（火星车）可以随处移动，但速度略慢，例如好奇号火星车在着陆9年内才爬行了25.1千米，平均每天行驶距离还不足8米。
按照任务复杂度和实际预算对比，常规任务的逻辑基本是“环绕的比不过着陆的，着陆的比不过巡视的”。而机智号成功后，则有能力为这个逻辑再加一句“巡视的比不过飞行的”。因为它能在3-5米的空中飞行，最大水平速度可以达到10米/秒，单次飞行往返距离可达100米级别，远超火星车的能力范围。
这是火星探测前所未有的新技术，大幅拓展了研究空间尺度和可获取的信息量。毅力号火星车和机智号直升机组合，也代表了火星探测的新高度。
二、乘风而起：超级集成机身，超强动力系统
前往火星是第一道难关。不过机智号并不是个独立任务，它主要依托于毅力号火星车，在前往火星之旅中它处于折叠状态并被保护起来，牢牢固定在毅力号底部，毅力号通过“脐带”为它提供能量和技术支持。在确认测试区域后，机智号才展开并被释放到火星表面，与毅力号仅通过天线保持无线沟通。
三、科学目标：技术测试为主，为未来任务带来希望
火星表面白天气温可以超过20摄氏度，夜晚时可以低到100摄氏度以下，昼夜温差巨大。火星的磁场极弱，抵御强烈宇宙辐射的效果近乎为零，辐射环境复杂。早在火箭发射和着陆火星阶段，机智号还要面对剧烈的振动和冲击。因此，能顺利踏上火星表面并独立生存的机智号，可谓已经经历过重重磨难的洗礼。
在火星上飞行并非易事，最大挑战在于火星表面的空气密度和气压还不足地球表面的1%，且变动较大，这相当于地球在约30千米高度的大气状态。而在地球上，珠穆朗玛峰的高度就已经是直升机的飞行禁区。为此，科学家们需要解决一系列棘手的问题。
机智号火星直升机的大致组成（图源：NASA+作者注释）
首先，要尽可能减轻重量，这是任务成功的关键，对于要携带众多核心结构和仪器的机智号也是最大的挑战。小小的机智号上，需要很多必备部件。例如，一片用以获取能量的太阳能电池板，两对用来提供足够升力、直径达1.2米的碳纤维旋翼和驱动电机，六块用以储存太阳能和给所有仪器设备供电的特制锂离子电池，一个装载所有核心处理设备、温控系统和控制系统等的机身，一台高清相机等科研仪器，一个通信天线，一套融合了惯性传感器、太阳敏感器、视觉里程计、导航相机和激光高度计等的复杂导航系统，以及四条支撑腿等核心结构。它还要高度智能，因为地火距离导致的通信时延使得人类不可能控制它飞行。
所有的设计都必须做到尽量轻、强度高、耐冲击、耐振动、耐温差、耐辐射，最后的机智号被“浓缩”为整体质量仅有1.8千克的“小不点”，是科研人员们“绞尽脑汁”的成果。考虑到它8500万美元独立预算，平均每克的成本高达4.7万美元/克，是黄金单价的近1000倍！
动图：在正式飞行测试前，机智号已经进行了旋翼旋转测试并被毅力号记录下来（图源：NASA）
其次，要尽可能获得大且稳定的升力。机智号的碳纤维旋翼被设计成了共轴反转式系统，这种设计传动系统更加简单，可以回避掉常规直升机必须携带的尾桨，再加上可折叠设计，让占用的体积空间大幅减少。同时，共轴旋转的转动惯量小，抗侧风能力更强，悬停和飞行状态更加稳定，非常适合机智号的应用需求。不过这些设计还是不够，“天下武功，唯快不破”，它需要大幅增加转速以满足升力需求。它的设计转速高达2400转/分，极限情况下甚至可以做到更高，这已经远超地球上直升机的旋转速度。
预计飞行效果图（图源：NASA）
不过，这里如果要写个致谢，首要功臣还应该是火星。它表面的引力加速度仅为地球的38%左右，这让机智号的重量仅相当于在地球上0.7千克物体对应的重量，这是它能飞起来的核心原因。
三、科学目标：技术测试为主，为未来任务带来希望
机智号身背诸多“人类首次”。最核心的使命是完成技术测试，预计在任务期间内完成5次飞行任务，为火星探测和地外天体探测探索新的技术维度。因此，它的科学研究功能并不复杂，主要聚焦于拍摄高分辨率地面图像，发回毅力号。由于近乎贴地飞行，它核心科学相机拍摄的彩色图片覆盖范围更广、分辨率更高，对于了解毅力号周边环境有很大意义，相当于为它赋予了一双“火眼金睛”。然而，仅5次飞行任务，还包括首飞的短期悬停测试，可想而知并不能真正提升毅力号的研究能力。飞行期间，毅力号还要聚焦于它，为它留下火星飞行的美丽合影。
未来的蜻蜓号泰坦探测器，将完全颠覆人类对地外天体探测的技术途径（图源：NASA）
这次测试任务的成功，不仅彻底打开了人类对于火星探测的技术发展空间，也为其他带有大气层的地外天体探测开辟了新思路，甚至可能成为主要探测方式。例如，泰坦是土星最大的卫星，那里有着稠密的氮气和甲烷主导的大气，惠更斯号着陆器曾经在2005年实现了着陆的伟大壮举。在未来的任务规划中，美国宇航局（NASA）已经确定了“蜻蜓号”任务，它就是个纯粹的飞行器，利用旋翼飞行系统探索泰坦的大气和地表，预计收获的科研价值远超定点着陆器。人类所熟知的金星，是个大气密度远超地球的地方，飞行器也是探测它的最佳方案之一。此外，木星、土星、天王星、海王星，也都拥有浓密大气层，未来的探测器设计思路，也会被这次火星飞行测试成功所影响。
机智号也携带着118年前“飞行者一号”前辈的火星飞行梦想（图源：NASA）
让人欣慰的是，科学家们也把一份极致的浪漫通过机智号带到火星。机智号太阳能电池板下的一条电缆上，覆盖的是一小片“飞行者一号”机翼上覆盖用的蒙皮。时隔118年后，它见证了人类飞行梦想在另一颗星球的起飞。未来，人类的星辰大海之旅还将见证越来越多的飞行奇迹。
这些珍贵的探测器，不仅为人类延展了四肢，让我们能跨越时空触碰这些星球。还为人类延展了大脑，让我们时刻憧憬着星辰大海的梦想。
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