火星无人机：永远不会在地球上飞行的飞机

如果你能操控无人机在火星飞行，你就能比火星车探查更多的区域，但如何设计火星无人机是一个巨大的挑战。

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。”

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。”

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。