SUV 大小的“毅力号”探测车本周即将发射前往火星，它有一个搭档：一架轻巧的四磅重直升机，配备四英尺长的旋翼叶片，重量轻如羽毛。它将尝试在另一个星球上进行首次动力飞行，这可能会彻底改变深空探索。
如果一切按计划进行，在“毅力号”的降落伞、反推火箭和空中起重机降落在火星耶泽罗陨石坑平坦地面后，从“毅力号”腹部释放直升机将是火星 2020 任务的早期第一步。作为一项纯粹的技术演示，这架名为“机智号”的旋翼飞行器将尝试在稀薄的火星空气中进行多达五次动力飞行，火星空气的密度不到地球大气层的 1%。
这些飞行将是短暂的，每次从起飞到降落大约持续 90 秒，这是在“机智号”电池耗尽之前可用的全部时间。为了向下推动足够的空气以产生向上升力，它的叶片必须以大约每分钟 2,800 转的速度旋转——比地球上的直升机快 10 倍——因此每次飞行将消耗大约 350 瓦的功率。“机智号”的太阳能电池需要一个完整的火星日（比地球日稍长）才能在两次飞行之间充电。该飞行器的最高高度仅为约 16 英尺，但它将面临的条件将与地球上 100,000 英尺的高度相当——比任何直升机的飞行高度都高出两倍以上。
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火星直升机的规划始于六年多前，在 NASA 喷气推进实验室 (JPL) 的自主系统部门，该部门研究下一代太空探索能力。由工程师米米·昂领导的团队面临着创建一种能够在红色星球上运行的飞行器的挑战。
如果成功，飞机可以将科学仪器运送到探测车和着陆器无法到达的地方，例如悬崖侧面的裸露冰崖或陡峭陨石坑的内壁。飞机可以升空携带相机，为未来的探测车以及未来的宇航员侦察地点。这样做将提供比当前轨道图像更详细的图片，轨道图像可以将火星上的特征分辨率降至约三英尺左右。“想象一下拥有厘米级精度的[或约半英寸精度的]可能目的地图像并对其进行表征，”昂说。
未来的概念包括成群结队地协同工作的飞行器，或更大的飞行器，可以独立地从一个地点旅行到另一个地点，从而实现一种新型的异世界探索。JPL 正在研究潜在的火星直升机，重量可达 33 磅，可携带高达约 3.3 磅的有效载荷。NASA 还在资助一项更雄心勃勃的基于直升机的任务，名为“蜻蜓号”，以探索土星最大的卫星泰坦上丰富的有机化学物质。这颗天然卫星拥有浓厚的大气层，以及厚厚的碳氢化合物大气层下的液态甲烷湖泊和海洋，以及水状的地下海洋，使其成为寻找地球以外生命的一个诱人世界。
“在过去几年中真正改变的是无人机革命——无人机和自主飞行技术的巨大发展，”蜻蜓号首席研究员、约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家伊丽莎白·特托说。“当我们研究提出探索泰坦的有意义的任务架构时，我们意识到我们现在真的拥有了所有这些能力。”
然而，首先，必须证明在火星上进行动力飞行是可能的。而这样做是耗资 8500 万美元的“机智号”任务的唯一目标。
这架直升机比垒球稍大，减去其四个碳纤维叶片，这些叶片在两个反向旋转的旋翼上旋转，并坐在四条腿上，每条腿长 15 英寸。它携带微型航空电子和通信设备、导航相机、单个太阳能电池板和可充电锂离子电池——以及加热器，以在寒冷的火星夜晚保持电子设备温暖。机上没有科学仪器；只有一个高分辨率彩色成像仪。
直升机的设计需要在航空航天工程的每个领域进行创新——热力学、机械、结构、动力、材料等等。“我们必须消除所有界限，”昂说。“我们习惯于为每个子系统配备自己的底盘……和我们自己的计算机。将所有这些整合在一起，然后结合空气动力学方面，将整个系统整合到一个如此轻的重量中……是第一个挑战。这也使其非常有趣和令人兴奋。”
“机智号”将附着在“毅力号”探测车上，并在一个防护罩后面前往火星，以保护它免受空中起重机下降到行星表面期间可能扬起的碎片的影响。发射计划于美国东部时间 7 月 30 日上午 7:50–9:50 在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地进行。“毅力号”预计将于 2021 年 2 月 18 日在火星着陆。
随着探测车开始发回数据，使科学家能够评估耶泽罗陨石坑（NASA 第五次也是最雄心勃勃的火星探测车的着陆点），昂和她的团队将寻找一块 33 英尺 x 33 英尺的平坦场地，作为“机智号”试飞的实验机场，试飞计划于 5 月开始。
“机智号”不会是第一个翱翔在另一个行星大气层中的航天器。这一殊荣属于 1985 年穿越金星天空的一对气球，它们作为苏联时代的维加任务的一部分收集天气数据。但“机智号”将尝试在另一个世界进行首次动力飞行，这是 21 世纪的莱特兄弟时刻。
在放下直升机后，“毅力号”将后退至少 100 码——足够远以避免在“机智号”坠毁时被击中，但仍然足够近以便进行无线电通信。它的最多五次飞行将在 30 个火星日内进行，之后探测车将转向其主要任务：评估耶泽罗陨石坑的宜居性并缓存可能包含微化石或其他过去微生物生命证据的岩石和土壤样本。
在最后一次测试中，“机智号”可以飞行高达 150 英尺的距离，可能达到其适度的最大高度，然后再返回起飞点。“由于这是一个探路者，我们没有危险检测和规避系统，”昂说。“这对于未来的直升机至关重要，因为在您着陆之前，您需要一个三维数字高程图，以便能够转向并避开任何危险。”
火星上最重要的飞行测试将是第一次，这将复制之前在 JPL 直径 25 英尺的真空室内部进行的测试。“我们起飞、悬停、进行适度的横向飞行、返回并降落，”昂说。“这非常重要，因为它证实了我们所有的模型——我们在地球上进行的所有测试。”
在那次飞行之后，“机智号”的飞行应该会更大胆一些，旋翼飞行器会飞得更高，然后横向飞得更远，然后再返回着陆。“航空界有句谚语，唯一比驾驶自己的飞机起飞更令人兴奋的事情是再次降落它，” “机智号”首席飞行员哈瓦德·格里普说。“我认为这里的情况就是如此。”
“机智号”是计划在火星 2020 任务中进行的三项技术演示之一。第二项是自主危险规避导航系统，“毅力号”将在其下降到 28 英里宽的耶泽罗陨石坑期间使用该系统。第三项是一种名为火星原位资源利用制氧实验 (MOXIE) 的仪器，它将尝试将从大气中提取的二氧化碳转化为氧气，这是未来人类火星任务的潜在资源。