想象一下这个场景：一架手提箱大小的小型无人机降落到火星黑暗的裂缝中——也许是数十亿年前红色星球火山活动形成的熔岩管。无人机照亮周围环境，记录下人类肉眼从未见过的景象，同时其仪器套件寻找过去或现在外星生物的迹象。最后，侦察任务完成后，无人机飞回地表着陆区，将宝贵的数据传输回地球。在吸收火星阳光为电池充电后，它继续探索任何其他机器都无法到达的地形。
这样的任务并非遥不可及的幻想，由于 NASA 的“独创号”旋翼飞行器（有时被称为直升机或无人机）的巨大成功，它可能很快就会成为现实。这项技术演示在过去几周内在火星上进行。“独创号”由 NASA 的“毅力号”探测器携带到火星，后者于 2 月 18 日着陆。这台重仅 1.8 公斤的小型机器，是首次尝试在另一个世界上进行受控空中飞行——比莱特兄弟在地球上掌握这项壮举晚了一个多世纪。“我们现在可以说，人类已经在另一个星球上放飞了旋翼飞行器，”NASA 喷气推进实验室 (JPL) “独创号”项目经理米米·昂在 4 月 19 日首次成功飞行后，在任务控制中心向她的团队发表讲话时说。“我们共同拥有了我们的莱特兄弟时刻。”
随着“独创号”的成功，空间科学家们正在思考飞行器可能在我们的太阳系探索中发挥的作用。很少有世界拥有动力空气动力飞行所需的必要条件，即像火星或地球那样的大气层和岩石表面，但还有另外两个值得注意。“空中飞行的通用技术适用于土星的卫星泰坦和金星等地方，” “独创号”团队首席工程师鲍勃·巴拉拉姆在首次飞行后的新闻发布会上说。后者的极高温度和压力带来了一些独特的挑战：“在接近地表时，更像是游泳，”北卡罗来纳州立大学的行星科学家保罗·伯恩说。然而，那里的飞行并非不可能，苏联的 织女星气球 在 1985 年就证明了这一点。随着名为“蜻蜓”的旋翼飞行器已经在开发中，计划在未来十年内访问泰坦，并且正在继续开发“独创号”的概念继任者，外星世界的空中探索前景光明。“这可能是新时代的开始，”伯恩说。
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“独创号”的首次飞行，从火星杰泽罗陨石坑的一片土地上起飞，现在这片土地被称为“莱特兄弟机场”，这次飞行虽然规模不大，但令人印象深刻：火星的大气层非常稀薄，只有地球的百分之一，因此产生升力极其困难。“这类似于地球地面以上约 10 万英尺的高度，”国防承包商 AeroVironment 的工程师本·皮彭伯格说，他帮助建造了“独创号”。在“毅力号”从安全距离观看的情况下，“独创号”以每分钟 2,500 转（rpm）的速度旋转叶片，上升到三米的高度，在那里悬停了 30 秒并进行了 96 度旋转。然后它降回地面，四脚着陆，总飞行时间为 39.1 秒。
从那时起，事情变得更加复杂。第二次飞行持续了 51.9 秒，达到了五米的高度。它还包括大约两米的横向移动——这在地球上的测试舱内从未尝试过，而“独创号”最初是在模拟火星条件下飞行的。第三次飞行见证了“独创号”飞行了半个足球场的长度，约 50 米，最高速度略高于每秒 2 米。4 月 30 日的第四次飞行再次突破了极限，“独创号”在空中停留了近两分钟——117 秒——并以每秒 3.5 米的惊人速度飞行，勘察了超过 260 米往返的潜在未来着陆区。“独创号”的第五次飞行——于 5 月 7 日完成，最初计划是最后一次——将其单程送往新的着陆区，等待其母舰“毅力号”的到来。
现在，这款非常成功的技术演示无人机正在进入其任务的新阶段——为期一个月的第二次更雄心勃勃的运行测试。这些测试旨在展示空中无人机“如何在未来的探测器科学任务中发挥积极作用，”NASA 总部（位于华盛顿特区）“独创号”项目执行官戴夫·拉维里说。尽管“独创号”不会直接支持“毅力号”的科学目标——即寻找火星上过去生命的迹象——但当团队规划穿越杰泽罗陨石坑丰富区域的最佳路径时，它将帮助勘察探测器未来的潜在路线。而且，该飞行器可能拍摄“毅力号”计划路径中没有的附近地点。甚至有很小的机会，“独创号”也可能支持探测器后期的任务——如果该飞行器能够幸存下来。“我们可能会考虑查看陨石坑边缘，”拉维里说。
关于这些飞行器未来某天可能如何支持人类任务，充当侦察无人机，供人类勘察着陆点附近感兴趣的区域，或在不同地点之间运送工具，人们已经做了很多讨论。在短期内，更令人兴奋的机器人科学前景即将到来——也许就像 1997 年的“旅居者”号探测器一样，“旅居者”号本身是轮式探索的原型，也是 NASA“探路者”任务的一部分，为后来的“勇气号”、“机遇号”、“好奇号”以及现在的“毅力号”铺平了道路。“我确实认为我们未来会看到一些飞行器，”NASA 火星探测计划首席科学家迈克尔·迈耶在该机构总部说。“它现在将成为我们用于探索的方法组合的一部分。直升机可以做一些其他平台无法做到的事情。”
例子可能包括探索前面提到的熔岩管，或者接近陨石坑壁——对于探测器来说太高太陡峭而无法攀爬——直升机可以在那里拍照并进行一些近距离分析。另一个例子可能是研究 季节性斜坡纹线，火星上与地表液态水流动有关的深色流痕。具有讽刺意味的是，正是这种水的可能性——以及随之而来的地球细菌污染的风险——基本上禁止任何人或任何东西踏足（或车轮滚动）那里去寻找火星本土生命的迹象。但是，悬停的无人机可以不接触地进行观察，提供了一种新颖的探索途径。“旋翼飞行器将使我们能够近距离观察我们原本认为不适合探测器的东西，”伯恩说，“要么是因为行星保护问题，要么是因为它太危险了。”
一种可能的超越“独创号”的空中飞行器的概念已经在研究中。被称为 火星科学直升机，这款六叶片六旋翼飞行器重量将接近 30 公斤。它将配备数公斤重的仪器，用于分析火星表面的不同区域，并且能够在数公里范围内飞行数分钟。“我们正在努力从‘独创号’中学习，并问自己，‘如果我们进一步推进它，我们能完成什么？’”JPL 的西奥多·扎内托斯说，他是火星科学直升机概念团队的成员。这样的特性将带来的科学效益将是巨大的，使大片火星表面突然触手可及。目前火星上的距离记录由 NASA 的“机遇号”探测器保持，它在 11 年多一点的时间里行驶了 42 多公里。直升机可以在几周内完成同样的壮举。
其他想法包括使用旋翼飞行器对探测器无法到达的火星表面区域的 裸露水冰 进行调查。NASA 艾姆斯研究中心的火星科学直升机飞行器系统负责人珊娜·威斯罗-梅泽尔说，无人机可以潜入火星峡谷，例如两公里深的莫斯谷，寻找与天体生物学相关的粘土的证据，或者可能使用仪器探测火星大气层的较低层。所有这些都可以与更大的探测器任务并行完成，或者作为更具成本效益且更轻便的独立任务完成，从而实现对各种火星地点的更广泛探索。“我个人非常希望这样，”威斯罗-梅泽尔说。
在太阳系的其他地方，飞行选择更加有限。人们可以想象在木星或土星等气态巨行星的大气层中使用旋翼飞行器，理论上那里可以飞行。但实际上到达那里将是一个问题。“当然，问题在于减速以及到达行星时所需的能量，”伯恩说。但是，土星引人入胜的卫星泰坦，拥有极其稠密的大气层和地表碳氢化合物湖泊，是一个非常诱人的前景。2019 年，NASA 选择了一项任务，试图在泰坦卫星上部署“蜻蜓”旋翼飞行器。“蜻蜓”计划最早于 2026 年发射，2034 年抵达，其团队一直在密切关注“独创号”的成功。
约翰·霍普金斯大学应用物理实验室“蜻蜓”任务负责人伊丽莎白·特托尔说：“我们一直在非常感兴趣地关注着。” “我们非常渴望看到我们可以将哪些经验教训应用到‘蜻蜓’上。” 与“独创号”一样，“蜻蜓”也将自主飞行，因此它将利用类似的车载图像处理能力来决定在泰坦表面何处着陆。（“独创号”通过每秒拍摄 30 张地面图像来执行地形测绘。）但是，“蜻蜓”与“独创号”相比是一个庞然大物，重量接近半吨，由钚提供动力。而且，它是一项独立的任务，而不是像“独创号”那样的搭便车。“它就像‘毅力号’[在规模上]，只是我们飞越而不是在表面上行驶，”特托尔说。
尽管泰坦比火星更遥远——从地球到泰坦的光线传播时间约为一小时，而到红色星球最多约为 20 分钟——但那里的飞行相对容易得多。泰坦的重力只有地球的 14%，远小于火星，而泰坦更稠密的大气层使得产生升力变得相对容易。“一个人可以装上翅膀在泰坦表面翱翔，”特托尔说。泰坦上的风也慢得多，几乎只有每小时一公里多一点，而火星上的风速为每小时数十公里。而且，尽管“独创号”的叶片需要 2,500 rpm 才能将其脆弱的 1.8 公斤重的机身抬离地面，但“蜻蜓”的半吨重的庞大机身只需其旋翼以 800 rpm 的速度旋转即可升空。泰坦的主要挑战是其温度，平均只有约零下 180 摄氏度——因此需要使用寿命长、产生热量的钚动力源。“它确实很冷，”特托尔说。“这是一个不小的挑战。”
随着“蜻蜓”即将到来，以及火星科学直升机等未来的任务正在进行中，除了“独创号”之外，还有很多值得期待的事情。这台小机器首次证明了在外星世界飞行是可能的——从物理和后勤的角度来看都是如此。现在，激动人心的新发现时代正在等待着我们，虽然只有少数几个世界能够提供这种探索方法的合适条件，但对于空中飞行器在这些外星天空中可以进行的科学研究来说，天空才是真正的极限。“有些事情需要理清，”迈耶说。“然后我认为我们将开始看到一些新的和改进的直升机平台，它们实际上可以携带诱人的有效载荷。”