美国宇航局火星直升机为其他星球飞行开启大门 - 《华尔街日报》

2021年4月19日，一台名为"机智号"、烤面包机大小的直升机在火星表面旋动旋翼，升至10英尺高空，成为首架在地球以外星球实现动力飞行的航空器。但这绝不会是最后一架。

美国国家航空航天局及其他航天机构正在研发另外三款外星飞行器，还有更多无人直升机、跳跃探测器及浮空器正处于设计阶段。这些空中机器人将能勘测金星云层、搜寻土卫六的生命迹象，并为可能于21世纪30年代末抵达火星的宇航员侦察资源。

美国加州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室工程师西奥多·扎内托斯指出，这些任务面临艰巨的技术挑战。在外星飞行需要超轻材料、自主导航系统，并能适应极端温度与不同大气环境。“飞行器体积越大，复杂性就越高，“扎内托斯表示，“如何将其送达目的地？如何确保可靠性？”

但如果他和同行火箭科学家们取得成功，人类将很快以前所未有的方式探索太阳系。

“航空机动性可实现着陆器或漫游车无法完成的任务，“NASA克利夫兰格伦研究中心的物理学家杰夫·兰迪斯说，“若要进行从极地到赤道的全球勘探，就必须具备飞行能力。”

美国宇航局正在研发的六旋翼火星科学直升机，未来携带科学仪器执行空中侦察任务。图片来源：美国宇航局（效果图）美国宇航局的"机智号"彻底颠覆了人们对直升机在其他星球执行任务的认知。这个原计划仅进行五次飞行的小型飞行器，作为低成本技术验证项目，至今已在火星上空飞行数十次。它证明在比地球稀薄约100倍的大气中，微型化组件与大型反向旋转旋翼的组合能够实现可控飞行，并提供了这颗红色星球地表前所未有的航拍视角，同时为附近的"毅力号"火星车提供支持。

“机智号"的成功促使美国宇航局调整计划，取消了原定由欧洲航天局火星车运输"毅力号"采集的土壤样本返回地球的方案。该机构宣布2028年将发射两架新型"机智号"改进版飞行器，每架配备四轮和机械臂以协助样本采集。

在与喷气推进实验室、艾姆斯研究中心及AeroVironment公司的合作中，Tzanetos先生还设计了一款六旋翼大型直升机概念方案。这款名为"火星科学直升机"的飞行器可搭载约10磅（4.5公斤）科学仪器。

此外，约翰霍普金斯大学应用物理实验室正在研发核动力直升机“蜻蜓号”。美国宇航局计划2027年将其发射至土卫六，该星球大气密度是地球的4倍而重力仅为1/7。在此环境下，这架半吨重的飞行实验室仅需八旋翼的轻微推力即可实现空中翱翔。

“土卫六简直在呼唤我们去飞行，”约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家、蜻蜓任务首席研究员伊丽莎白·“齐比”·特特尔说道。

根据任务规划，蜻蜓探测器将在近三年内每月升空一次，每次飞行记录最远10英里的航程，探索这片遍布液态甲烷湖泊、冰岩和焦油颗粒沙丘的奇异地貌。每当降落在新地点时，这架八旋翼飞行器将利用全套仪器评估当地环境，搜寻科学家认为可能构成生命前体的碳基物质。若某处地点特别引人关注，蜻蜓将通过双钻头采集地表样本。

“我们想了解土卫六上正在发生的化学进程，这些过程可能与地球生命出现前的早期化学演变相似，”特特尔博士表示。

在iOS设备上点击此图像，查看您周围环境中的蜻蜓。注：非比例显示；2022年11月时的蜻蜓渲染图。来源：约翰霍普金斯大学应用物理实验室。图片合成：彼得·钱佩利和布莱恩·麦吉尔/华尔街日报；照片：路易斯·阿尔瓦雷斯/DigitalVision/Getty Images太阳系其他卫星和小天体均缺乏显著大气层，意味着传统飞行器无法运作。但航天工程师们正为这些星球设计新型飞行器，展现出无畏的探索精神。

2021年，当奥利弗·贾-理查兹还是麻省理工学院的研究生时，他提出了一个滑翔机的概念，这种滑翔机会给地面充电并与之相斥，就像两块磁铁相互排斥一样。现在，作为密歇根大学的航空航天工程师，贾-理查兹博士继续测试悬浮滑翔机的组件。他设想了一种两磅重、碟形探测器，可以在无空气的环境中平稳地巡航于崎岖的地形上。

在麻省理工学院期间，奥利弗·贾-理查兹提出了一个太空滑翔机的概念，这种滑翔机通过给其下方的地面充电来实现悬浮。照片：麻省理工学院（渲染图）美国宇航局的兰迪斯博士构思了零大气飞行器，这些飞行器由火箭发动机的爆发提供动力，具有更强的冲击力。这些“跳跃者”一次可以覆盖数十英里，可能会利用当地资源，因此不需要从地球携带推进剂。例如，在冥王星上，“我们可以舀起氮雪，加热它并用它来为我们的火箭提供燃料，”兰迪斯博士说。

金星对飞行器提出了相反的挑战：极其稠密的大气层，其表面压力相当于地球水下3000英尺处的压力。金星的地面温度徘徊在华氏900度左右。没有直升机、滑翔机或跳跃者能在那里坚持很久。

今年7月，一个用于金星探测的气球探测器三分之一比例原型在内华达州的黑岩沙漠进行了测试。图片来源：NASA/JPL-Caltech圣路易斯华盛顿大学行星科学家保罗·伯恩提出的解决方案是建造一个高度可调的气球探测器，并将其停泊在金星表面上方35英里处，那里的温度和压力与地球惊人地相似。这种所谓的空中机器人将配备一个充满氦气的高压舱以保持浮力，高压舱周围是一个低压舱，通过膨胀或收缩来改变飞行器的高度，根据需要躲避风暴和高温。

伯恩博士一直在与喷气推进实验室和俄勒冈州蒂拉穆克近太空公司的团队合作，开发这种空中机器人的三分之一比例原型。今年7月，它成功飞越了内华达州的黑岩沙漠。现在伯恩博士正在为全尺寸版本制定提案，该版本将类似于一个巨大的银色花生，大约45英尺宽，60英尺高。

工程师们认为，一个空中机器人可以在金星云层上方飞行数月，研究太阳系最大的谜团之一：为什么金星变成了地狱般的世界，而地球却变得郁郁葱葱，尽管这两颗行星在大小和组成上如此相似？我们的星球是否也会面临同样的命运？“如果它能飞行，我们将重写教科书——关于金星、地球以及一般的岩石行星，”伯恩博士说。

麻省理工学院天文学家萨拉·西格尔思考着金星上的远古生命是否可能曾在云层中避难，以及它们是否至今仍存留于此。她参与制定了探索计划，拟派遣搭载火箭的空中机器人前往金星采集云层样本并带回地球分析。

该金星飞艇概念设计可支持两名乘员驻留30天，并建立距地表数英里高的永久性高空前哨站。图片来源：美国宇航局（效果图）兰迪斯博士表示，巨型飞艇或可实现载人金星任务。展望更远未来，他设想在这颗行星上建立空中城市——人类居住在充满氧气的栖息舱内，漂浮于稠密大气层之上。

“在太阳系中，金星定居点可能比其他任何地方都更容易实现，“他说。

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本文发表于2023年1月20日印刷版，标题为《火星直升机为外星飞行开启大门》。