将在外星大展身手的有趣飞行器 身材小巧能力超强

如果用无人机开展火星探索，探索范围和速度都将远远胜过火星车，但设计一台这样的无人机却是一项艰巨的挑战。

2021年4月19日，一架名为“机智号”(Ingenuity)的微型直升机从火星表面腾空而起，完成了一项足以载入史册的壮举。为了提供足够的升力，这架无人驾驶直升机的马达在稀薄的空气中疯狂地转动，将直升机提升到了一层楼的高度。“机智号”在空中悬停了一会儿，随后安全着陆，完成了人类在另一颗行星上的首次受控飞行。它降落的区域名叫“莱特兄弟场”(Wright Brothers Field)，以航空业先驱莱特兄弟命名。

等到2035年左右，一架体积与小轿车相当的旋翼飞机“蜻蜓号”将接过接力棒，在土星最大的卫星土卫六上着陆，开展人类在这颗星球上的首次探索任务。在短短一小时内，“蜻蜓号”飞行的距离将超过此前在其它行星上的任何一台地面漫游车。这架多旋翼无人机将从土卫六表面飞过，然后在表面停留一个土卫六日(相当于16个地球日)，期间开展各种实验，然后再飞往下一个目的地，它将成为第一台携带全部科学仪器飞来飞去的航天器。

与“好奇号”火星车艰难的探索历程相比，像“机智号”这样的直升机或许能以更轻松的方式探索火星。

但对地外飞行而言，最大的挑战(也可能是最大的机遇)莫过于地狱般炽热的金星，因为金星大气集齐了极端高温、高压和酸性几大特征。迄今为止，还没有一台着陆器能在金星表面坚持127小时以上。

科学家计划向金星送去两台飞行器。其中一台为太阳能飞行器，将从金星较为温和无害的上层大气中穿过;另一台则采用了飞翼设计，将从接近表面的严酷环境中飞过。在金星上降落的技术研发起来十分困难。从大气中飞过可能是唯一的替代方案。

NASA空中移动小组机器人技术专家、“机智号”团队带头人泰迪·萨内托斯已经在着手设计下一代火星直升机了。“我们都知道莱特兄弟是如何实现人类在地球上的第一次飞行的，如今，我们在其它行星上也会遵守相同的模式。”

就像此前的极地航空探测一样，工程师们意识到，飞行器将给我们对外星球的探索带来革命性的变化。如果大气条件合适，“维京号”、“好奇号”等火星着陆器、以及“卡西尼号”等轨道飞行器将继续在外星探索中发挥关键作用，但除此之外，如今我们有了更多选择。例如可操控的机器飞艇、直升机、无人机、甚至还有充气式螺旋桨飞机(均由NASA科学家提出)，这些都可以在短时间内收集到行星表面大范围内的高质量数据，同时还能避开各种危险地形。它们可以拍摄到漫游车或轨道器无法拍摄的近距离照片，还可以从不同角度观察任务目标。这些飞行器可以到达漫游车无法抵达之处，比如高山、峰顶、甚至还有金星表面那样极不宜居的环境。

“蜻蜓号”可以由小型反应堆提供能量。

对工程师来说，问题在于每颗行星的环境各有千秋，对适用的飞行器类型、载荷和功能造成了不同的限制，工程师还面临着各种各样的技术局限。

据土星5号火箭设计师韦恩赫尔·冯·布劳恩设想，在火星上降落可以以超音速滑翔机的形式实现。科幻小说作家菲利普·迪克猜想，人类可以借助直升机实现火星殖民。工程师们则从上世纪70年代“维京号”登陆火星后就展开了火星飞行器的概念设计，其中有些功能用在了如今美国军方的“捕食者号”无人机上。

火星大气密度只有地球的1%，因此飞行器难以产生升力。这就意味着，火星直升机自重必须非常轻，但又要能携带锂电池、传感器和摄像机，还要具有隔热和保温功能、以度过火星上的冰冷长夜。只要攻克了这些挑战，将飞行器重量控制在1.8千克以下，你也能打造出自己的“机智号”。工程师从90年代就开始研究火星直升机了，但技术条件一直不具备。不过从2010年开始，研究进展开始加速，最后成功实现了技术论证。

工程师们其实还考察了固定翼飞行器，但火星上没有机场，因此直升机更为合适。

上世纪90年代，“机智号”所需的电池才刚刚被发明出来，碳纤维的潜力也尚未被人发掘。此外，传感器、超轻计算机和飞行算法也远不够成熟，人类更是还不具备打造和操控这类设备的能力。如今20多年过去，情况已大为不同。在今天的地球上，无人机不仅被用来运送包裹和疫苗，还常用于考察粮食作物和考古遗迹。这些技术全都在恰当的时间凑到了一起，“机智号”才得以问世。

“机智号”已经完成了数次试飞，目前仍在执行飞行任务。这样做主要是为了证明可以在火星上飞行，并且已经成功了19次。每次成功完成试飞，都提供了大量宝贵的工程数据。

土卫六的情况则与火星恰好相反，走向了另一个极端。土卫六的大小与月球相仿，表面覆盖着一层冰壳，下方是一片包裹整颗星球的巨大海洋，不仅气候寒冷，还会下“甲烷雨”。有科学家提出，我们可以用船只探索土卫六表面，用潜水艇探索其地下海，用飞艇探测大气层。

土卫六的环境非常特殊，很适合用比空气重的飞行器开展探索。土卫六上引力较小、且大气稠密，意味着飞机和直升机的体型可以做得更大，携带的荷载也可以更重，能实现的功能也比在火星上丰富。土卫六的特殊环境意味着，像“蜻蜓号”这样的旋翼飞行器可以携带强大的核电池、实验设备、计算机硬件、以及强韧的滑撬式起落架。

“蜻蜓号”将在飞越土卫六表面的过程中自行绘制地图。

目前我们掌握的土卫六地图还不够详细，但“蜻蜓号”会在飞近着陆点时判断形势，若无法安全着陆，就接着飞往下一个着落点。“蜻蜓号”会在飞行过程中绘制自己的地图，采用这种着陆方法的风险最小。

不过在这一点上，火星的优势就胜过土卫六了。各种轨道探测器已经围绕火星飞行了数十载，足以担当“机智号”的侦察兵，还可以担任通信中继器。而“蜻蜓号”就只能直接与地球进行通讯，还得亲自勘测地形。

数据从火星传回地球只需不到一天时间，而从土卫六传回地球，耗时就要长得多了。