想象一下這個場景：一架手提箱大小的小型無人機降落到火星黑暗的裂縫中——也許是數十億年前紅色星球火山活動形成的熔岩管。無人機照亮周圍環境，記錄下人類肉眼從未見過的景象，同時其儀器套件尋找過去或現在外星生物的跡象。最後，偵察任務完成後，無人機飛回地表著陸區，將寶貴的資料傳輸回地球。在吸收火星陽光為電池充電後，它繼續探索任何其他機器都無法到達的地形。
這樣的任務並非遙不可及的幻想，由於 NASA 的“獨創號”旋翼飛行器（有時被稱為直升機或無人機）的巨大成功，它可能很快就會成為現實。這項技術演示在過去幾周內在火星上進行。“獨創號”由 NASA 的“毅力號”探測器攜帶到火星，後者於 2 月 18 日著陸。這臺重僅 1.8 公斤的小型機器，是首次嘗試在另一個世界上進行受控空中飛行——比萊特兄弟在地球上掌握這項壯舉晚了一個多世紀。“我們現在可以說，人類已經在另一個星球上放飛了旋翼飛行器，”NASA 噴氣推進實驗室 (JPL) “獨創號”專案經理米米·昂在 4 月 19 日首次成功飛行後，在任務控制中心向她的團隊發表講話時說。“我們共同擁有了我們的萊特兄弟時刻。”
隨著“獨創號”的成功，空間科學家們正在思考飛行器可能在我們的太陽系探索中發揮的作用。很少有世界擁有動力空氣動力飛行所需的必要條件，即像火星或地球那樣的大氣層和岩石表面，但還有另外兩個值得注意。“空中飛行的通用技術適用於土星的衛星泰坦和金星等地方，” “獨創號”團隊首席工程師鮑勃·巴拉拉姆在首次飛行後的新聞釋出會上說。後者的極高溫度和壓力帶來了一些獨特的挑戰：“在接近地表時，更像是游泳，”北卡羅來納州立大學的行星科學家保羅·伯恩說。然而，那裡的飛行並非不可能，蘇聯的 織女星氣球 在 1985 年就證明了這一點。隨著名為“蜻蜓”的旋翼飛行器已經在開發中，計劃在未來十年內訪問泰坦，並且正在繼續開發“獨創號”的概念繼任者，外星世界的空中探索前景光明。“這可能是新時代的開始，”伯恩說。
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“獨創號”的首次飛行，從火星傑澤羅隕石坑的一片土地上起飛，現在這片土地被稱為“萊特兄弟機場”，這次飛行雖然規模不大，但令人印象深刻：火星的大氣層非常稀薄，只有地球的百分之一，因此產生升力極其困難。“這類似於地球地面以上約 10 萬英尺的高度，”國防承包商 AeroVironment 的工程師本·皮彭伯格說，他幫助建造了“獨創號”。在“毅力號”從安全距離觀看的情況下，“獨創號”以每分鐘 2,500 轉（rpm）的速度旋轉葉片，上升到三米的高度，在那裡懸停了 30 秒並進行了 96 度旋轉。然後它降回地面，四腳著陸，總飛行時間為 39.1 秒。
從那時起，事情變得更加複雜。第二次飛行持續了 51.9 秒，達到了五米的高度。它還包括大約兩米的橫向移動——這在地球上的測試艙內從未嘗試過，而“獨創號”最初是在模擬火星條件下飛行的。第三次飛行見證了“獨創號”飛行了半個足球場的長度，約 50 米，最高速度略高於每秒 2 米。4 月 30 日的第四次飛行再次突破了極限，“獨創號”在空中停留了近兩分鐘——117 秒——並以每秒 3.5 米的驚人速度飛行，勘察了超過 260 米往返的潛在未來著陸區。“獨創號”的第五次飛行——於 5 月 7 日完成，最初計劃是最後一次——將其單程送往新的著陸區，等待其母艦“毅力號”的到來。
現在，這款非常成功的技術演示無人機正在進入其任務的新階段——為期一個月的第二次更雄心勃勃的執行測試。這些測試旨在展示空中無人機“如何在未來的探測器科學任務中發揮積極作用，”NASA 總部（位於華盛頓特區）“獨創號”專案執行官戴夫·拉維裡說。儘管“獨創號”不會直接支援“毅力號”的科學目標——即尋找火星上過去生命的跡象——但當團隊規劃穿越傑澤羅隕石坑豐富區域的最佳路徑時，它將幫助勘察探測器未來的潛在路線。而且，該飛行器可能拍攝“毅力號”計劃路徑中沒有的附近地點。甚至有很小的機會，“獨創號”也可能支援探測器後期的任務——如果該飛行器能夠倖存下來。“我們可能會考慮檢視隕石坑邊緣，”拉維裡說。
關於這些飛行器未來某天可能如何支援人類任務，充當偵察無人機，供人類勘察著陸點附近感興趣的區域，或在不同地點之間運送工具，人們已經做了很多討論。在短期內，更令人興奮的機器人科學前景即將到來——也許就像 1997 年的“旅居者”號探測器一樣，“旅居者”號本身是輪式探索的原型，也是 NASA“探路者”任務的一部分，為後來的“勇氣號”、“機遇號”、“好奇號”以及現在的“毅力號”鋪平了道路。“我確實認為我們未來會看到一些飛行器，”NASA 火星探測計劃首席科學家邁克爾·邁耶在該機構總部說。“它現在將成為我們用於探索的方法組合的一部分。直升機可以做一些其他平臺無法做到的事情。”
例子可能包括探索前面提到的熔岩管，或者接近隕石坑壁——對於探測器來說太高太陡峭而無法攀爬——直升機可以在那裡拍照並進行一些近距離分析。另一個例子可能是研究 季節性斜坡紋線，火星上與地表液態水流動有關的深色流痕。具有諷刺意味的是，正是這種水的可能性——以及隨之而來的地球細菌汙染的風險——基本上禁止任何人或任何東西踏足（或車輪滾動）那裡去尋找火星本土生命的跡象。但是，懸停的無人機可以不接觸地進行觀察，提供了一種新穎的探索途徑。“旋翼飛行器將使我們能夠近距離觀察我們原本認為不適合探測器的東西，”伯恩說，“要麼是因為行星保護問題，要麼是因為它太危險了。”
一種可能的超越“獨創號”的空中飛行器的概念已經在研究中。被稱為 火星科學直升機，這款六葉片六旋翼飛行器重量將接近 30 公斤。它將配備數公斤重的儀器，用於分析火星表面的不同區域，並且能夠在數公里範圍內飛行數分鐘。“我們正在努力從‘獨創號’中學習，並問自己，‘如果我們進一步推進它，我們能完成什麼？’”JPL 的西奧多·扎內託斯說，他是火星科學直升機概念團隊的成員。這樣的特性將帶來的科學效益將是巨大的，使大片火星表面突然觸手可及。目前火星上的距離記錄由 NASA 的“機遇號”探測器保持，它在 11 年多一點的時間裡行駛了 42 多公里。直升機可以在幾周內完成同樣的壯舉。
其他想法包括使用旋翼飛行器對探測器無法到達的火星表面區域的 裸露水冰 進行調查。NASA 艾姆斯研究中心的火星科學直升機飛行器系統負責人珊娜·威斯羅-梅澤爾說，無人機可以潛入火星峽谷，例如兩公里深的莫斯谷，尋找與天體生物學相關的粘土的證據，或者可能使用儀器探測火星大氣層的較低層。所有這些都可以與更大的探測器任務並行完成，或者作為更具成本效益且更輕便的獨立任務完成，從而實現對各種火星地點的更廣泛探索。“我個人非常希望這樣，”威斯羅-梅澤爾說。
在太陽系的其他地方，飛行選擇更加有限。人們可以想象在木星或土星等氣態巨行星的大氣層中使用旋翼飛行器，理論上那裡可以飛行。但實際上到達那裡將是一個問題。“當然，問題在於減速以及到達行星時所需的能量，”伯恩說。但是，土星引人入勝的衛星泰坦，擁有極其稠密的大氣層和地表碳氫化合物湖泊，是一個非常誘人的前景。2019 年，NASA 選擇了一項任務，試圖在泰坦衛星上部署“蜻蜓”旋翼飛行器。“蜻蜓”計劃最早於 2026 年發射，2034 年抵達，其團隊一直在密切關注“獨創號”的成功。
約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室“蜻蜓”任務負責人伊麗莎白·特托爾說：“我們一直在非常感興趣地關注著。” “我們非常渴望看到我們可以將哪些經驗教訓應用到‘蜻蜓’上。” 與“獨創號”一樣，“蜻蜓”也將自主飛行，因此它將利用類似的車載影像處理能力來決定在泰坦表面何處著陸。（“獨創號”透過每秒拍攝 30 張地面影像來執行地形測繪。）但是，“蜻蜓”與“獨創號”相比是一個龐然大物，重量接近半噸，由鈽提供動力。而且，它是一項獨立的任務，而不是像“獨創號”那樣的搭便車。“它就像‘毅力號’[在規模上]，只是我們飛越而不是在表面上行駛，”特托爾說。
儘管泰坦比火星更遙遠——從地球到泰坦的光線傳播時間約為一小時，而到紅色星球最多約為 20 分鐘——但那裡的飛行相對容易得多。泰坦的重力只有地球的 14%，遠小於火星，而泰坦更稠密的大氣層使得產生升力變得相對容易。“一個人可以裝上翅膀在泰坦表面翱翔，”特托爾說。泰坦上的風也慢得多，幾乎只有每小時一公里多一點，而火星上的風速為每小時數十公里。而且，儘管“獨創號”的葉片需要 2,500 rpm 才能將其脆弱的 1.8 公斤重的機身抬離地面，但“蜻蜓”的半噸重的龐大機身只需其旋翼以 800 rpm 的速度旋轉即可升空。泰坦的主要挑戰是其溫度，平均只有約零下 180 攝氏度——因此需要使用壽命長、產生熱量的鈽動力源。“它確實很冷，”特托爾說。“這是一個不小的挑戰。”
隨著“蜻蜓”即將到來，以及火星科學直升機等未來的任務正在進行中，除了“獨創號”之外，還有很多值得期待的事情。這臺小機器首次證明了在外星世界飛行是可能的——從物理和後勤的角度來看都是如此。現在，激動人心的新發現時代正在等待著我們，雖然只有少數幾個世界能夠提供這種探索方法的合適條件，但對於空中飛行器在這些外星天空中可以進行的科學研究來說，天空才是真正的極限。“有些事情需要理清，”邁耶說。“然後我認為我們將開始看到一些新的和改進的直升機平臺，它們實際上可以攜帶誘人的有效載荷。”