美國宇航局火星直升機為其他星球飛行開啓大門 - 《華爾街日報》

2021年4月19日，一台名為"機智號"、烤麪包機大小的直升機在火星表面旋動旋翼，升至10英尺高空，成為首架在地球以外星球實現動力飛行的航空器。但這絕不會是最後一架。

美國國家航空航天局及其他航天機構正在研發另外三款外星飛行器，還有更多無人直升機、跳躍探測器及浮空器正處於設計階段。這些空中機器人將能勘測金星雲層、搜尋土衞六的生命跡象，併為可能於21世紀30年代末抵達火星的宇航員偵察資源。

美國加州帕薩迪納市NASA噴氣推進實驗室工程師西奧多·扎內託斯指出，這些任務面臨艱鉅的技術挑戰。在外星飛行需要超輕材料、自主導航系統，並能適應極端温度與不同大氣環境。“飛行器體積越大，複雜性就越高，“扎內託斯表示，“如何將其送達目的地？如何確保可靠性？”

但如果他和同行火箭科學家們取得成功，人類將很快以前所未有的方式探索太陽系。

“航空機動性可實現着陸器或漫遊車無法完成的任務，“NASA克利夫蘭格倫研究中心的物理學家傑夫·蘭迪斯説，“若要進行從極地到赤道的全球勘探，就必須具備飛行能力。”

美國宇航局正在研發的六旋翼火星科學直升機，未來攜帶科學儀器執行空中偵察任務。圖片來源：美國宇航局（效果圖）美國宇航局的"機智號"徹底顛覆了人們對直升機在其他星球執行任務的認知。這個原計劃僅進行五次飛行的小型飛行器，作為低成本技術驗證項目，至今已在火星上空飛行數十次。它證明在比地球稀薄約100倍的大氣中，微型化組件與大型反向旋轉旋翼的組合能夠實現可控飛行，並提供了這顆紅色星球地表前所未有的航拍視角，同時為附近的"毅力號"火星車提供支持。

“機智號"的成功促使美國宇航局調整計劃，取消了原定由歐洲航天局火星車運輸"毅力號"採集的土壤樣本返回地球的方案。該機構宣佈2028年將發射兩架新型"機智號"改進版飛行器，每架配備四輪和機械臂以協助樣本採集。

在與噴氣推進實驗室、艾姆斯研究中心及AeroVironment公司的合作中，Tzanetos先生還設計了一款六旋翼大型直升機概念方案。這款名為"火星科學直升機"的飛行器可搭載約10磅（4.5公斤）科學儀器。

此外，約翰霍普金斯大學應用物理實驗室正在研發核動力直升機“蜻蜓號”。美國宇航局計劃2027年將其發射至土衞六，該星球大氣密度是地球的4倍而重力僅為1/7。在此環境下，這架半噸重的飛行實驗室僅需八旋翼的輕微推力即可實現空中翱翔。

“土衞六簡直在呼喚我們去飛行，”約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家、蜻蜓任務首席研究員伊麗莎白·“齊比”·特特爾説道。

根據任務規劃，蜻蜓探測器將在近三年內每月升空一次，每次飛行記錄最遠10英里的航程，探索這片遍佈液態甲烷湖泊、冰岩和焦油顆粒沙丘的奇異地貌。每當降落在新地點時，這架八旋翼飛行器將利用全套儀器評估當地環境，搜尋科學家認為可能構成生命前體的碳基物質。若某處地點特別引人關注，蜻蜓將通過雙鑽頭採集地表樣本。

“我們想了解土衞六上正在發生的化學進程，這些過程可能與地球生命出現前的早期化學演變相似，”特特爾博士表示。

在iOS設備上點擊此圖像，查看您周圍環境中的蜻蜓。注：非比例顯示；2022年11月時的蜻蜓渲染圖。來源：約翰霍普金斯大學應用物理實驗室。圖片合成：彼得·錢佩利和布萊恩·麥吉爾/華爾街日報；照片：路易斯·阿爾瓦雷斯/DigitalVision/Getty Images太陽系其他衞星和小天體均缺乏顯著大氣層，意味着傳統飛行器無法運作。但航天工程師們正為這些星球設計新型飛行器，展現出無畏的探索精神。

2021年，當奧利弗·賈-理查茲還是麻省理工學院的研究生時，他提出了一個滑翔機的概念，這種滑翔機會給地面充電並與之相斥，就像兩塊磁鐵相互排斥一樣。現在，作為密歇根大學的航空航天工程師，賈-理查茲博士繼續測試懸浮滑翔機的組件。他設想了一種兩磅重、碟形探測器，可以在無空氣的環境中平穩地巡航於崎嶇的地形上。

在麻省理工學院期間，奧利弗·賈-理查茲提出了一個太空滑翔機的概念，這種滑翔機通過給其下方的地面充電來實現懸浮。照片：麻省理工學院（渲染圖）美國宇航局的蘭迪斯博士構思了零大氣飛行器，這些飛行器由火箭發動機的爆發提供動力，具有更強的衝擊力。這些“跳躍者”一次可以覆蓋數十英里，可能會利用當地資源，因此不需要從地球攜帶推進劑。例如，在冥王星上，“我們可以舀起氮雪，加熱它並用它來為我們的火箭提供燃料，”蘭迪斯博士説。

金星對飛行器提出了相反的挑戰：極其稠密的大氣層，其表面壓力相當於地球水下3000英尺處的壓力。金星的地面温度徘徊在華氏900度左右。沒有直升機、滑翔機或跳躍者能在那裏堅持很久。

今年7月，一個用於金星探測的氣球探測器三分之一比例原型在內華達州的黑巖沙漠進行了測試。圖片來源：NASA/JPL-Caltech聖路易斯華盛頓大學行星科學家保羅·伯恩提出的解決方案是建造一個高度可調的氣球探測器，並將其停泊在金星表面上方35英里處，那裏的温度和壓力與地球驚人地相似。這種所謂的空中機器人將配備一個充滿氦氣的高壓艙以保持浮力，高壓艙周圍是一個低壓艙，通過膨脹或收縮來改變飛行器的高度，根據需要躲避風暴和高温。

伯恩博士一直在與噴氣推進實驗室和俄勒岡州蒂拉穆克近太空公司的團隊合作，開發這種空中機器人的三分之一比例原型。今年7月，它成功飛越了內華達州的黑巖沙漠。現在伯恩博士正在為全尺寸版本制定提案，該版本將類似於一個巨大的銀色花生，大約45英尺寬，60英尺高。

工程師們認為，一個空中機器人可以在金星雲層上方飛行數月，研究太陽系最大的謎團之一：為什麼金星變成了地獄般的世界，而地球卻變得鬱鬱葱葱，儘管這兩顆行星在大小和組成上如此相似？我們的星球是否也會面臨同樣的命運？“如果它能飛行，我們將重寫教科書——關於金星、地球以及一般的岩石行星，”伯恩博士説。

麻省理工學院天文學家薩拉·西格爾思考着金星上的遠古生命是否可能曾在雲層中避難，以及它們是否至今仍存留於此。她參與制定了探索計劃，擬派遣搭載火箭的空中機器人前往金星採集雲層樣本並帶回地球分析。

該金星飛艇概念設計可支持兩名乘員駐留30天，並建立距地表數英里高的永久性高空前哨站。圖片來源：美國宇航局（效果圖）蘭迪斯博士表示，巨型飛艇或可實現載人金星任務。展望更遠未來，他設想在這顆行星上建立空中城市——人類居住在充滿氧氣的棲息艙內，漂浮於稠密大氣層之上。

“在太陽系中，金星定居點可能比其他任何地方都更容易實現，“他説。

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本文發表於2023年1月20日印刷版，標題為《火星直升機為外星飛行開啓大門》。