在致力于直升机研究的 2024 年变革性垂直飞行会议开幕日，大型礼堂几乎座无虚席。NASA 的首席工程师哈瓦德·格里普站在等待的人群面前，他们都是航空机械工程师，他将就“独创号”的诸多成就和陨落发表演讲。“独创号”是一架创纪录的直升机，它在火星上飞行了数十次任务，最终于 2024 年 1 月中旬坠毁。
格里普在谈到该机构用于设计“独创号”的过程时说：“我们学到了很多。”“独创号”的飞行开创了直升机研究的全新领域，它在火星稀薄而奇异的空气中飞行。从设计到测试协议，一切都是从零开始开发的。他将这款开创性直升机的测试实验室描述为“简陋的”风洞：为了测量原型机上的风力运动，研究人员使用了一个巨大的手臂，它抓住直升机并在一个 25 英尺的房间内摆动，该房间复制了火星的大气条件。
从机械工程的角度来看，“独创号”是一次决定性的胜利，完成了 71 次成功的飞行。但是，这架直升机也有一个致命弱点：对于任务成功至关重要的自主导航软件，也很难在荒凉、毫无特征的地形中确定飞行器的方向，因为它过度依赖岩石等小规模特征作为航路点。在“独创号”的最后一次飞行中，当 NASA 指示“独创号”降落在平淡无奇的沙质平地上时，飞行器失去了方向感，急剧倾斜，并将旋翼撞到沙地上，折断了叶片的尖端。
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“回想起来，我们可以看到这种地形与其他我们飞行过的地形有何不同，”格里普说，他曾在直升机早期担任“独创号”的首席飞行员。“事实证明，这对‘独创号’来说有点太具挑战性了，这就是一个教训，对吧？”
“独创号”已经完成了它的最后一次任务，但在十年内，至少它的一个技术后代可能会踏上前往遥远行星的旅程。会议上的几位发言人介绍了从他们的先驱父辈的域外飞行中获得的知识中受益的新型或更新的直升机设计。
当时，会议因 NASA 将直升机视为行星探索不可或缺的一部分的总体情绪而备受鼓舞。然而，现在，在最近有好有坏的消息之后，未来变得更加不明朗。
空中复兴
将直升机纳入星际任务有令人信服的理由。漫游车往往速度缓慢，并且根本无法在某些更令人生畏的地形中导航。另一方面，NASA 设计的直升机能够在火星上达到近 70 英里/小时的峰值速度，攀升到山峰之巅，然后下降到古代海洋遗留下来的陨石坑深处。一种设计的机动能力甚至应该使其能够探索洞穴内部。
“独创号”的成就引发了一场直升机科学的复兴，NASA 已经制定了几个行星直升机的规格清单，其中大多数永远不会建造。但是，每种新的配置都有助于 NASA 学习和迭代，以期为一系列具有挑战性的条件确定最佳设计。
最成熟的计划包括 “蜻蜓”，它最近获得了绿灯，将前往土星最大的卫星，以及样本回收直升机 (SRH)，由于它是太空机构陷入困境的火星样本返回 (MSR) 计划的潜在组成部分，因此其未来尚不明朗。其他可能性包括一些概念直升机，例如，火星科学直升机，它不需要漫游车或着陆器作为“母船”，以及用于调查和分析的行星遥测直升机 (PYTHIA)，旨在进入红色星球巨大的熔岩管。
“独创号”的教训
格里普在他的演讲中开玩笑说，“独创号”最大的成就是简单地表明在另一个世界飞行是可以实现的。“这是一次令人难以置信的旅程，”他说。“我曾几次担心我们让它看起来太容易了。在火星上飞行实际上很困难。”
火星上的直升机面临着许多非同寻常的挑战。影响直升机空气动力学的关键物理概念是空气密度、声速以及称为雷诺数的概念，它告诉您车辆周围的气流有多湍流。
对于火星，NASA 的工程师最初只专注于补偿独特的空气密度，通常引用的空气密度仅为地球的 1%。如此“稀薄”的空气使直升机产生升力变得更加困难。NASA 艾姆斯研究中心的航空机械主管威廉·沃姆布罗特说，情况也稍微复杂一些。火星地质较低的区域空气密度较高，使直升机飞行成为可能。但是，海拔较高的区域的空气密度低于 1%，需要更精密的飞行设计。
最初，“独创号”的设计完全基于克服低海拔空气密度的挑战。但是，当团队测试其首个自由飞行原型机时，它不稳定，在测试过程中摇晃和抖动。格里普说，该团队不敢再次尝试，直到掌握了声速和雷诺数如何影响飞行。这最终促成了研究人员的第二个原型机，该原型机“确实成功了”。
为了帮助规划未来的任务，科学家们使用了飞行日志数据来了解如何处理火星上的大气条件。通过查看“独创号”在飞行过程中自主用于稳定自身姿态的微小推力调整，他们可以推断出不同高度的风速的详细信息，这在地球上的望远镜或火星轨道或地表上的仪器中是无法测量的。
沃姆布罗特解释说：“推力矢量必须指向风中，因为它必须克服风造成的机身阻力。”
在一个更平凡但同样重要的方面，沃姆布罗特说，“独创号”团队很高兴确认消费电子产品可以处理星际探索。“独创号”的大脑来自相当于一部简单手机处理器的设备，它能够承受火箭发射和火星着陆的极端条件，以及外星世界的地表低压和可变温度——这一事实在会议的几次演讲中被提及。此前，NASA 仅使用定制硬件，这需要昂贵的测试来证明其太空适用性。沃姆布罗特说，使用商用组件的能力将在未来的设计中提供巨大的成本优势。
航向修正
在“独创号”之后，一对 SRH 本应是第一批返回火星的飞行器。从外观上看，SRH 与“独创号”非常相似，其框架顶部也有类似的堆叠式旋翼叶片配置。但是，SRH 除了“独创号”能够处理的功能外，还有一项额外的技巧，因为它旨在拾取样本以返回地球。
自 2021 年以来，作为 NASA MSR 计划的一部分，该太空机构的“毅力号”漫游车一直在火星的杰泽罗陨石坑周围的一个名为三叉路口仓库的区域收集和存放小型样本管。NASA 从事 SRH 项目的机械工程师雅典娜·陈说，为了抓取这些管子，SRH 的设计包括一个手臂和夹爪，以及轮子，使其能够在需要时短距离行驶。
陈当时正在设计用于新风洞的 SRH 测试设备，这时 NASA 在 4 月 15 日星期一举行了一次新闻发布会，宣布它已经“缩减”了该计划的直升机。一份独立审查委员会的报告发现，整个 MSR 计划的成本可能高达 110 亿美元，远高于最初提出的 60 亿美元。审查委员会还对该任务的时间表表示担忧，该时间表估计在 2040 年左右将火星岩石带回地球。在新闻发布会上，NASA 局长比尔·纳尔逊告诉记者，这将是该机构“将在火星上着陆宇航员”的同一个十年，表面上使样本返回变得毫无意义。
目前，NASA 的科学任务理事会已更新了 MSR 设计规范，其方式“不允许容纳直升机”。然而，它也包括一个后门，允许 NASA 可能挤进一架直升机“以增加风险降低”，尽管预算更紧张。关于直升机何时将再次飞越火星不太友好的天空的问题悬而未决。
下一站：泰坦
唯一一架有保证发射的直升机——刚刚于 4 月 16 日确认——是“蜻蜓”，它将对更遥远的世界进行采样：土星卫星泰坦的表面。样品将在现场分析，而不是返回地球。
与火星不同，泰坦的大气层类似于浓汤——比地球稠密 60%。如此稠密的大气层有利于直升机，因为螺旋桨将能够推动稠密的空气以产生巨大的推力。
沃姆布罗特说：“大气层的密度意味着人类可能能够在泰坦的空气中‘游泳’飞行。”
如此有利的空气动力学环境使工程师能够设计出更重的飞行器，它更像科幻小说中的东西。“独创号”和“蜻蜓”都采用了堆叠式同轴旋翼设计，但比较到此为止。“蜻蜓”大约有一辆汽车那么大，重量超过 900 磅，与“蜻蜓”相比，“独创号”显得像个小不点。它有四组堆叠式旋翼环绕其周边，而不仅仅是像“独创号”那样从中心伸出一个。
工程师们还为“蜻蜓”配备了核动力源，放弃了“独创号”及其同类产品使用的太阳能电池板。钚 238 将为“蜻蜓”的放射性同位素温差发电机提供动力，以便为飞行器的电池充电。NASA 工程师杰森·科尼利厄斯说，之所以需要核动力源，是因为太阳光太微弱，无法为泰坦上的太阳能电池板充电。这种微弱的光线源于两个方面——卫星与太阳的距离太远以及其稠密、光线衰减的大气层。
他补充说：“我们还利用核电站的热量来保持车辆温暖”——这是一项有用的好处，因为泰坦的表面温度约为零下 290 华氏度（零下 180 摄氏度）。
重返红色星球
2023 年底，格里普离开了“独创号”计划，成为火星科学直升机 (MSH) 的首席工程师。他说，MSH 的设计尚未完全确定，但它很可能是第一个放弃堆叠式旋翼叶片配置并改为使用六旋翼机设计的火星任务，该设计将六个旋翼叶片围绕飞行器主体间隔开。它的高度略高于四英尺，重量仅为五磅，也将比“独创号”更大更重，并且能够携带约 68 磅的总重量，包括约 18 磅的有效载荷。
格里普说：“考虑它的最佳方式是，它是一个概念，在过去几年中受到了相当多的关注和研究，但它不是一项已批准的任务。”
另一个有希望的概念是 PYTHIA，它旨在导航火星的洞穴。过去，火星上的活火山通过隧道将热熔岩推到地表。火山冷却后，隧道硬化成巨大的熔岩管。
在会议上，NASA 团队介绍了 PYTHIA 的拟议设计，即采用较小的无人机机身，带有四个旋翼和八个叶片。已经选定了一个潜在的着陆点：阿西亚山，火星海拔第三高的地点，海拔约 38,000 英尺。得益于“独创号”的飞行数据，工程师们知道 PYTHIA 将面临的极低气压，并已建模如何进行补偿，以便它可以驾驭如此高度。
随着直升机排队前往遥远、不适宜居住的世界，它们正在为探索不仅是外星科学，而且是飞行科学开辟新的可能性。这些见解有一天可能会帮助地球上的直升机。陈说：“这不是直接的一对一比较，但在火星上飞行可以帮助设计在地球极高海拔地区飞行的新型旋翼飞行器。”