出品：科普中國

製作：太空精釀

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

1903年12月17日，地球。萊特兄弟駕駛著比空氣重的「飛行者一號」飛機，實現了在地球大氣中持續且受控的動力飛行，人類從此進入飛行時代。飛機極大拓展了人類四肢能夠延展的空間，推動人類進入全球化時代。

2021年4月19日，火星。在預裝軟體控制下，「機智號」直升機在火星大氣中完成了30秒懸停，這是人類飛行器首次在地外天體大氣中持續且受控的動力飛行，標誌著人類深空探測進入嶄新的「飛行」時代。

一、承前啟後：人類火星探測的新維度

火星是地球的近鄰，是顆類地行星，與地球有著相似的演化歷史與未來。這裡有大氣、水、有機物的存在，表面積與地球陸地總面積接近，各類資源豐富。它處在太陽系內宜居帶上，關於火星生命的探尋一直是探測焦點之一。因此，這裡也集中了人類對行星際空間探測的技術極致。

在機智號出現之前，共有四種火星探測方案。驚鴻一瞥的「飛掠」，登高望遠的「環繞」，觀天測地的「降落」和自由移動的「巡視」，整體難度越來越大。

其中，「飛掠」任務僅是早期技術不成熟或其他任務兼職探測火星時使用。環繞器能全方位研究火星和中繼信號，但無法詳細研究火星表面；著陸器能仔細研究火星表面的各種細節，但無法移動；巡視器（火星車）可以隨處移動，但速度略慢，例如好奇號火星車在著陸9年內才爬行了25.1千米，平均每天行駛距離還不足8米。

按照任務複雜度和實際預算對比，常規任務的邏輯基本是「環繞的比不過著陸的，著陸的比不過巡視的」。而機智號成功後，則有能力為這個邏輯再加一句「巡視的比不過飛行的」。因為它能在3-5米的空中飛行，最大水平速度可以達到10米/秒，單次飛行往返距離可達100米級別，遠超火星車的能力範圍。

這是火星探測前所未有的新技術，大幅拓展了研究空間尺度和可獲取的信息量。毅力號火星車和機智號直升機組合，也代表了火星探測的新高度。

二、乘風而起：超級集成機身，超強動力系統

前往火星是第一道難關。不過機智號並不是個獨立任務，它主要依託於毅力號火星車，在前往火星之旅中它處於摺疊狀態並被保護起來，牢牢固定在毅力號底部，毅力號通過「臍帶」為它提供能量和技術支持。在確認測試區域後，機智號才展開並被釋放到火星表面，與毅力號僅通過天線保持無線溝通。

火星表面白天氣溫可以超過20攝氏度，夜晚時可以低到100攝氏度以下，晝夜溫差巨大。火星的磁場極弱，抵禦強烈宇宙輻射的效果近乎為零，輻射環境複雜。早在火箭發射和著陸火星階段，機智號還要面對劇烈的振動和衝擊。因此，能順利踏上火星表面並獨立生存的機智號，可謂已經經歷過重重磨難的洗禮。

在火星上飛行並非易事，最大挑戰在於火星表面的空氣密度和氣壓還不足地球表面的1%，且變動較大，這相當於地球在約30千米高度的大氣狀態。而在地球上，珠穆朗瑪峰的高度就已經是直升機的飛行禁區。為此，科學家們需要解決一系列棘手的問題。

首先，要儘可能減輕重量，這是任務成功的關鍵，對於要攜帶眾多核心結構和儀器的機智號也是最大的挑戰。小小的機智號上，需要很多必備部件。例如，一片用以獲取能量的太陽能電池板，兩對用來提供足夠升力、直徑達1.2米的碳纖維旋翼和驅動電機，六塊用以儲存太陽能和給所有儀器設備供電的特製鋰離子電池，一個裝載所有核心處理設備、溫控系統和控制系統等的機身，一台高清相機等科研儀器，一個通信天線，一套融合了慣性傳感器、太陽敏感器、視覺里程計、導航相機和雷射高度計等的複雜導航系統，以及四條支撐腿等核心結構。它還要高度智能，因為地火距離導致的通信時延使得人類不可能控制它飛行。

所有的設計都必須做到儘量輕、強度高、耐衝擊、耐振動、耐溫差、耐輻射，最後的機智號被「濃縮」為整體質量僅有1.8千克的「小不點」，是科研人員們「絞盡腦汁」的成果。考慮到它8500萬美元獨立預算，平均每克的成本高達4.7萬美元/克，是黃金單價的近1000倍！

其次，要儘可能獲得大且穩定的升力。機智號的碳纖維旋翼被設計成了共軸反轉式系統，這種設計傳動系統更加簡單，可以迴避掉常規直升機必須攜帶的尾槳，再加上可摺疊設計，讓占用的體積空間大幅減少。同時，共軸旋轉的轉動慣量小，抗側風能力更強，懸停和飛行狀態更加穩定，非常適合機智號的應用需求。不過這些設計還是不夠，「天下武功，唯快不破」，它需要大幅增加轉速以滿足升力需求。它的設計轉速高達2400轉/分，極限情況下甚至可以做到更高，這已經遠超地球上直升機的旋轉速度。

不過，這裡如果要寫個致謝，首要功臣還應該是火星。它表面的引力加速度僅為地球的38%左右，這讓機智號的重量僅相當於在地球上0.7千克物體對應的重量，這是它能飛起來的核心原因。

三、科學目標：技術測試為主，為未來任務帶來希望

機智號身背諸多「人類首次」。最核心的使命是完成技術測試，預計在任務期間內完成5次飛行任務，為火星探測和地外天體探測探索新的技術維度。因此，它的科學研究功能並不複雜，主要聚焦於拍攝高解析度地面圖像，發回毅力號。由於近乎貼地飛行，它核心科學相機拍攝的彩色圖片覆蓋範圍更廣、解析度更高，對於了解毅力號周邊環境有很大意義，相當於為它賦予了一雙「火眼金睛」。然而，僅5次飛行任務，還包括首飛的短期懸停測試，可想而知並不能真正提升毅力號的研究能力。飛行期間，毅力號還要聚焦於它，為它留下火星飛行的美麗合影。

這次測試任務的成功，不僅徹底打開了人類對於火星探測的技術發展空間，也為其他帶有大氣層的地外天體探測開闢了新思路，甚至可能成為主要探測方式。例如，泰坦是土星最大的衛星，那裡有著稠密的氮氣和甲烷主導的大氣，惠更斯號著陸器曾經在2005年實現了著陸的偉大壯舉。在未來的任務規劃中，美國宇航局（NASA）已經確定了「蜻蜓號」任務，它就是個純粹的飛行器，利用旋翼飛行系統探索泰坦的大氣和地表，預計收穫的科研價值遠超定點著陸器。人類所熟知的金星，是個大氣密度遠超地球的地方，飛行器也是探測它的最佳方案之一。此外，木星、土星、天王星、海王星，也都擁有濃密大氣層，未來的探測器設計思路，也會被這次火星飛行測試成功所影響。

讓人欣慰的是，科學家們也把一份極致的浪漫通過機智號帶到火星。機智號太陽能電池板下的一條電纜上，覆蓋的是一小片「飛行者一號」機翼上覆蓋用的蒙皮。時隔118年後，它見證了人類飛行夢想在另一顆星球的起飛。未來，人類的星辰大海之旅還將見證越來越多的飛行奇蹟。

這些珍貴的探測器，不僅為人類延展了四肢，讓我們能跨越時空觸碰這些星球。還為人類延展了大腦，讓我們時刻憧憬著星辰大海的夢想。