美国宇航局的新型样本回收直升机将使火星飞行不再那么“无聊”

美国宇航局的“毅力号”火星车目前正在火星的耶泽罗陨石坑收集岩石和土壤样本，这些样本有朝一日将返回地球。根据目前的计划，到 2030 年，火星车将自行将样本管运送到火星着陆器，然后运回地球。但是，如果出现问题，两架小型直升机将随时准备飞越火星，正如美国宇航局的火星样本返回团队在 7 月底宣布的那样。

如果成功，样本回收直升机将成为有史以来第二架和第三架在其他星球上飞行的旋翼机。它们被纳入由 NASA 和欧洲航天局联合开展的火星样本返回任务，可能标志着火星探索新篇章的开始——小型轻型直升机将定期绕着这颗红色星球飞行。

在火星样本返回任务中增加直升机的消息传出仅仅一年前，历史上第一架飞机在另一个星球上进行动力飞行，当时 NASA 的“机智号”直升机于 2021 年 4 月升空火星。自那时起，这架实验性旋翼机又进行了 28 次飞行，远远超出了预期。

美国宇航局喷气推进实验室的“机智号”火星直升机团队负责人泰迪·扎内托斯 (Teddy Tzanetos) 表示：“‘机智号’的整个意义在于成为莱特兄弟的那一刻，引领未来在空中探索火星。‘机智号’的目标是让飞行变得无聊……现在我们可以继续进行无聊的飞行，并用无聊的飞行做一些令人兴奋的事情。”

最初，火星样本返回任务概念包括一个所谓的取样车：一个能够收集毅力号火星车已经储存在试管中的样本的机器人。取样车会将它们运送到火星表面数百码外的耶泽罗陨石坑附近的着陆器，在那里，样本管将被转移到火星上升器上。然后，火箭驱动的上升器会将装有样本管的容器发射到轨道上，在那里，一艘旨在返回地球的航天器将在那里等候。

但是，火星样本返回项目副经理安·德弗罗表示，“要获得一辆足够大、足够强大的火星车，并完成合理的样本收集工作，这很困难。”设计和随火星上升车一起运送这样一辆火星车的成本很高。

就在 Ingenuity 进行首次试飞时，团队正在探索其他概念。在旋翼机被证明成功后，工程师们开始研究直升机是否是获取 Perseverance 缓存样本的最佳选择。

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德弗罗说，在许多情况下，直升机比探测车更小、更轻、更灵活。虽然飞机需要一个安全的着陆地点，但它们不必担心用沉重的轮胎穿越沙丘。

样品返回直升机的设计与 Ingenuity 不会有太大差别。“当你谈论太空机器人时，传承非常重要，”Tzanetos 说。“我们希望尽可能地贴近 Ingenuity 的设计，因为我们知道它是可靠的，我们知道它是坚固的。”

他解释说，由于火星空气非常稀薄（大约只有地球空气密度的 1%），火星上的任何飞机都必须非常轻便，并配备大型、快速旋转的旋翼叶片，以提供足够的升力。Ingenuity 的反复飞行证实了 NASA 的空气动力学模拟是准确的，因此这些模型将指导工程师如何建造这对新的飞行机器人。

不过，样品回收直升机不会是“机智号”的完全复制品。Tzanetos 说，团队必须做出一些调整，因为这两架旋翼机要做的不仅仅是飞行。它们需要从着陆器飞行约 2,300 英尺到达缓存站，拿起一个管子，飞回着陆器，并将其投放到指定的投放点——然后重复这个循环 15 次，他说。

这意味着直升机必须承受比 4 磅重的 Ingenuity 更大的重量。Tzanetos 表示，目前样本检索直升机的概念设计需要额外的工具，例如用于拾取样本的臂架和用于在缓存站和投放点进行操控的轮子，这可能会给机器人增加一磅重量。

“我们进行了计算，发现可以对旋翼系统进行某些改动，使其能够承载更多重量，”他说。现在火星样本返回任务负责人已决定继续推进直升机取样概念，Tzanetos 和他的团队正专注于进行这些调整。

他们的第一步是确定 Ingenuity 的原始旋翼系统还能继续飞行多远。为了防止火星环境比团队模型预测的更具挑战性，工程师们设计了测试直升机，使其升力比预想的要大。

“我们开始研究如何权衡所有这些不同的重量应用，找到最佳平衡点，”他说。“例如，我们可以稍微加快叶片的转速，我们可以要求旋翼系统发挥更大的作用，我们可以携带更重的飞机，这样我们才能完成任务。”

然而，直升机最终可能根本不需要。它们将被飞往火星，以防毅力号探测器无法送来样本，或者机器人在回收完成之前就报废了。

但“机智号”的成功或许已经预示了火星直升机的未来。

“这架直升机太棒了，”德弗罗克斯说，她描述了机智号如何证明它可以在毅力号火星车前面飞行，并为火星车的地面侦察提供侦察。她补充说，直升机为我们提供了观察邻近星球的额外视角。也许有一天，一架类似无人机的旋翼机可以飞过水手谷这样的峡谷，近距离揭示火星车无法到达的地质层。

Tzanetos 说：“火星车现在已成为火星探测的常见工具。我们知道如何建造火星车，我们知道如何操作火星车。我希望在未来几十年里，直升机也能如此。”他说，也许有一天，拥有类似飞机机翼或直升机叶片的飞行器编队将布满火星天空。