火星无人机：永远不会在地球上飞行的飞机（视频）
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火星上空的直升机图片（Image credit: Nasa/JPL）(photo:BBC)2021年4月19日，一架名为“机智号”（Ingenuity）的小型实验无人机从火星地面起飞，这被载入史册。这台自动飞行器的螺旋桨在稀薄的大气中快速旋转，以产生足够的升力，将飞行器推到一层楼的高度。“机智号”在空中盘旋几圈，然后安全着陆，实现了人类在另一个星球上的首次遥控飞行。它降落的地点以航空先驱的名字命名，称为莱特兄弟机场（Wright Brothers Field）。
设想，在21世纪30年代中期，一架小型汽车大小的旋翼飞机“蜻蜓”（Dragonfly）将此技术进一步提升。它将登陆土星最大的卫星土卫六（Titan），开始人类对其首次探索。一小时后，“蜻蜓号”将会飞得比任何其他星球表面探测器都要远。这架多旋翼无人机将飞越土卫六的表面，将在土卫六着陆一天（相当于16个地球日）进行实验，然后飞到下一个目的地。
但对于外星航空器来说，最大的挑战，或许也是最大的机遇，应是极其炎热的金星。金星有着极高的温度、压力和酸性大气。没有任何登陆装置能在其龟裂的板状表面存活超过127分钟。
科学家们计划向金星发射两种飞行器。一种是太阳能动力的滑翔机，它可以在金星较为温和的上层大气中无限期地飞行；另一种是飞行翼设计，可以在接近金星地表的恶劣环境中飞行。
“开发登陆金星的技术是困难的，”加州行星科学研究所（Planetary Science Institute, California）的高级科学家埃尔达·诺·多布雷亚博士（Eldar Noe Dobrea）说，他正在进行金星任务的概念设计。“唯一的办法就是飞越金星大气层。”
特迪·扎内托斯（Teddy Tzanetos）是空中移动小组（Aerial Mobility Group）的机器人技术专家，也是“机智号”火星飞行探测器的团队负责人，他已经在研究下一代火星飞行探测器。他说，“我们知道莱特兄弟的首次飞行对地球人类意味着什么，我认为我们将在其他星球上遵循同样的模式。”
约翰·霍普金斯应用物理实验室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory）的首席研究员伊丽莎白·子比·特图（Elizabeth "Zibi" Turtle）说，“我从来没有想过这样的类比，但‘蜻蜓’是‘机智号’首次飞行后接下来的一步。这将是第一个将全部科研装备从一个地方带到另一个地方的（空中）飞行器。”
不同于好奇号探测器艰苦旅程，像机智号这样的小型直升机（右）尝试了另一种探索外星的方式（Credit: Devromb/Getty Images）(photo:BBC)像早期的极地航空探索先驱一样，美国国家航空航天局（Nasa）的工程师们意识到飞行器可以给探索新世界带来革命性的变化。标志性的机器，如火星登陆器“海盗号”（Viking）和“好奇号”（Curiosity），以及轨道飞行器，如土卫六的“卡西尼号”（Cassini），将继续在探索中发挥关键作用。如果有合适的大气层，也可能有其他选择。机器人和可遥控的飞艇、直升机、无人驾驶飞机，甚至充气螺旋桨飞机，都是美国宇航局科学家的设想，它们可以快速收集行星表面大片区域的高质量数据，避开危险地形，获取太空轨道上无法获得的近距离图像，并从不同的角度观察目标。这样的飞行器也可以到达登陆车无法到达的地方——山脉、山峰，甚至是无法登陆的金星表面。
美国宇航局的工程师们面临的问题是，每个星球的环境对飞机的类型、载荷能力都有不同的限制，目前工程师可使用的技术也存在类似的限制。
土星五号火箭的设计者沃纳·冯·布劳恩（Wernher von Braun）设想用高超音速滑翔机登陆火星。科幻小说作家菲利普·K·迪克（Philip K. Dick）想象人类乘坐直升机登上火星。在上世纪70年代的海盗号登陆器之后，美国宇航局的工程师们开始研究火星飞行器的概念，如今美国军方使用的“捕食者”（Predator）无人机的特点最终也体现在了火星飞行器上。
在火星上，大气浓度不到地球的1%，这使得飞机很难产生升力。这就意味着一架火星直升机必须非常轻，但仍然能够承载锂离子电池、传感器和摄像机，以及保温和绝缘材料，以保证它能在火星寒冷的夜晚可正常工作。扎内托斯说，“如果你能解决所有这些挑战，并建造一架重量小于1.8公斤（4磅）的飞机，那么就有可能。”
他说，“我们的首席工程师和团队在20世纪90年代就开始研究火星直升机的想法，但当时技术还不成熟。快进到2010年代，对于一个技术模型来说，它变得可能。”
像蜻蜓号这样坚固的旋转翼飞行器可以由一个小型核反应堆提供动力（Credit: Nasa/Johns Hopkins APL）(photo:BBC)该团队还研究了固定翼飞机，但在火星上使用旋翼飞机更有意义，因为没有机场。
宇航局有9个不同的技术成熟度级别，从“基本原理”的1级，到通过任务操作“飞行验证”的9级。
上世纪90年代，为“机智号”提供动力的电池刚刚开发出来，很少有人意识到碳纤维等材料的潜力。同样地，用于飞行器飞行的传感器、计算能力和算法还不够成熟。人类建造和操控它们的技能也都不具备。
20多年过去了，技术日新月异。今天，在地球上，无人机广泛用于运送包裹和疫苗，以及调查农作物和考古遗址。扎内托斯说，“这确实是所有这些技术在正确的时间汇聚在一起，使匠心设计成为可能。”
“机智号”完成了试飞，目前仍在飞行。扎内托斯说，“我们的主要目标是证明我们可以在火星上飞行，我们做了19次飞行。我们能对未来产生的最大影响是继续试飞机智号。”
“我们成功完成的每一次飞行都提供了宝贵的工程数据，对以后的研发将是至关重要的。”
蜻蜓号将能够在星球表面飞行时绘制出地图（Credit: Nasa/Johns Hopkins APL）(photo:BBC)扎内托斯说，该团队还在设计能够在更长的距离上承载更重载荷的旋翼飞机。“我们想给宇航局更多的解决方案。”
土卫六是火星的另一个极端。土星的这颗卫星，有行星大小，表面地壳被冰覆盖，下面是覆盖整个行星的海洋。那里非常寒冷，还下着甲烷雨。有人提出，船可以探索表面，潜艇可以在海洋航行，飞行器可以在大气层飞行。
“土卫六的环境非常适合使用较重的飞行器进行探索，”蜻蜓号任务的副首席研究员梅丽莎·G·特雷纳（Melissa G Trainer）说。它有低重力和稠密的大气层，这意味着飞机和直升机可以更大的尺寸，携带更重的载荷，比在火星这样的行星上有更大的能力。
土卫六的环境意味着像蜻蜓号这样的旋翼飞机可以携带强大的核电池，这是科学任务所需要的，因为电脑硬件和应对粗糙的地面所需的坚硬着陆板都颇具重量。
现有的地图不够详细，但旋翼机将检查可能的着陆点，如果不安全，就继续飞行。“当蜻蜓号飞行时，它会自己绘制土卫六的地图，”特雷纳说。“这种跨越式的方式是风险最小的选择。”
然而，火星在一个方面比土卫六更有优势。“在火星周围的一整套轨道飞行器已经在那里呆了几十年，可以为‘机智号’做探测，并起到中继站的作用，”特图说。“蜻蜓号必须与地球进行直接通信，并自行勘察当地情况。”
不到一天的时间，数据就从火星到达地球，进行分析，将“机智号”的信息发回地球。在土卫六上，这需要更长的时间。
我们可能需要简单、坚固的探测器来探索太阳系中不适宜居住的行星（Credit: Nasa/Johns Hopkins APL）(photo:BBC)之后的空中考察可能是去地球的姐妹行星金星。这颗行星的大气密度是地球的90倍。它的温度约为475摄氏度（900F），压力为93巴（1350磅），相当于地球海洋下一英里的深度。
“金星的大气层很糟糕，但也很好，”多布雷亚说。“那里有一层20公里（12英里）厚的巨大云层，从离地面50公里（30英里）到70公里（45英里），比地球的大气层密度更大，更容易飞行。太阳能飞机应该有可能无限期地在这个高度飞行，而且利用现有技术是有可能做到这一点的。”
他的第二架概念飞机将在接近水面的地方飞行。这是一个“巨大的挑战”，他补充说，由于极端的高温，太阳能缺乏阳光，以及压力。
这架飞机使用一个类似斯特林的引擎（Stirling engine），将接近地表的高温转化为能量，在较冷、较高的海拔为飞机提供动力。使用这种引擎的飞机为数不多。
可能还有另一种选择——气球。
这是人类首次在外星世界飞行的气球。1985年6月，苏联-欧洲的织女星运载火箭（Soviet-European Vega mission）发射了两个巨大的气球进入金星大气层，仪器挂在气球下面。
“我们知道这两个气球已经解除任务，但我们不知道它们是否还在，”美国跟踪气球项目的负责人罗伯特·普雷斯顿）（Robert Preston）表示。“我们在示波器屏幕上看到的都是噪音，除了噪音什么都没有。然后有一个微弱的信号。”
“我记得我离开控制室，看到金星在清晨的天空中明亮，我想：‘在那里。’”
织女星气球持续漂浮在大约54公里（33英里）的高度，收集了46小时的大气数据。“织女星气球非常'成功，”杰·加仑廷（Jay Gallentine）说，他是空间历史学家，也是《来自地球的大使:用无人飞船开拓探索》（Ambassadors from Earth: Pioneering Explorations with Unmanned Spacecraft）一书的作者。
扎内托斯说，“我知道未来我们还会有飞行器登临火星，我们正在为工具箱添加一种新工具。我们所学到的一切将帮助下一代不仅探索火星，还探索其他太阳系的行星。”
但这可能是一个更大的挑战，来自喷气推进实验室技术注入小组（JPL Technology Infusion Group）的美国宇航局科学家乔纳森·绍德（Jonathan Sauder）警告说，“如果你开始观察太阳系外的行星，那么它就会开始变得非常疯狂。有些行星是由冰构成的，或者大气中有金属。如果不彻底摧毁它们，我们就无法发射飞行器任何已知的行星，但也有其他行星更像地球。”
哈弗漫游者使用简单但坚固的电子设备，能够承受金星等环境的压力和温度（Credit: Nasa/Johns Hopkins APL）(photo:BBC)无论环境如何，无论人类探索的是哪个星系，物理都是一样的。扎内托斯说，“我们从在太阳系其他行星上自动飞行器中学到的经验是人类未来飞行方式的基础。”
绍德正在设计一种可以在金星上生存的着陆器，他称之为“极端环境自动漫游者”（Automaton Rover for Extreme Environments）的机制。这可能有一天会被用在水星登陆器、漂浮在这颗气态巨行星深处的探测器，以及探测地球内部的机器中被发现。
他说，“在建造金星着陆器时，极端的环境意味着我们放置在航天器上的许多传统组件将不起作用。”
压力将大气中的酸推入组件中，这意味着它们必须由不锈钢或钛制成。高温也会融化电子产品。
绍德的解决方案是一个完全机械的机器人，一个蒸汽朋克漫游者。“最初的设计甚至有腿，而不是轮子，灵感来自荷兰艺术家西奥·詹森（Theo Jansen）的巨大风力机械雕塑，或称“风力仿生兽”（strandbeests）。
为了探测和躲避障碍物，着陆器使用了一个由滚轴和保险杠组成的系统，就像一个儿童玩具，当着陆器遇到障碍物时，它会倒车，然后再朝略微不同的方向前进。
“它可能不是最有效的，但在那种环境下工作，是稳健和可靠的。”
美国宇航局的一些概念是基于荷兰艺术家西奥·詹森设计的风力仿生兽机械雕塑（Credit: Nasa/Johns Hopkins APL）(photo:BBC)然而，事实证明，要避免使用电子原件太难了。取而代之的是，能够在高温下工作的基本电子设备被用来测量温度和化学成分，并将数据传输给轨道飞行器。因此，“火星车”不得不被重新命名为“火星漫游者”（Hybrid Automaton Rover-Venus）
其次是动力。太阳能不行，因为金星有厚厚的云层和相当于60天长的夜晚。相反，宇航局的工程师们利用风来直接驱动探测器的机械系统。相机和化学传感器则更加棘手，还有待开发。
火星漫游者着陆在金星上的可能性还很小，但任何一个设计可能会增加这种可能。
绍德说，“我有信心，总有一天漫游者登陆金星表面，从火星漫游者架构中学到的经验将影响这些设计。”
马克·派星，航空自由撰稿人，著有《N-4降落：寻找意大利北极飞艇》（N-4 Down: The Hunt for the Arctic Airship Italia）一书。
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