SUV 大小的“毅力號”探測車本週即將發射前往火星，它有一個搭檔：一架輕巧的四磅重直升機，配備四英尺長的旋翼葉片，重量輕如羽毛。它將嘗試在另一個星球上進行首次動力飛行，這可能會徹底改變深空探索。
如果一切按計劃進行，在“毅力號”的降落傘、反推火箭和空中起重機降落在火星耶澤羅隕石坑平坦地面後，從“毅力號”腹部釋放直升機將是火星 2020 任務的早期第一步。作為一項純粹的技術演示，這架名為“機智號”的旋翼飛行器將嘗試在稀薄的火星空氣中進行多達五次動力飛行，火星空氣的密度不到地球大氣層的 1%。
這些飛行將是短暫的，每次從起飛到降落大約持續 90 秒，這是在“機智號”電池耗盡之前可用的全部時間。為了向下推動足夠的空氣以產生向上升力，它的葉片必須以大約每分鐘 2,800 轉的速度旋轉——比地球上的直升機快 10 倍——因此每次飛行將消耗大約 350 瓦的功率。“機智號”的太陽能電池需要一個完整的火星日（比地球日稍長）才能在兩次飛行之間充電。該飛行器的最高高度僅為約 16 英尺，但它將面臨的條件將與地球上 100,000 英尺的高度相當——比任何直升機的飛行高度都高出兩倍以上。
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火星直升機的規劃始於六年多前，在 NASA 噴氣推進實驗室 (JPL) 的自主系統部門，該部門研究下一代太空探索能力。由工程師米米·昂領導的團隊面臨著建立一種能夠在紅色星球上執行的飛行器的挑戰。
如果成功，飛機可以將科學儀器運送到探測車和著陸器無法到達的地方，例如懸崖側面的裸露冰崖或陡峭隕石坑的內壁。飛機可以升空攜帶相機，為未來的探測車以及未來的宇航員偵察地點。這樣做將提供比當前軌道影像更詳細的圖片，軌道影像可以將火星上的特徵解析度降至約三英尺左右。“想象一下擁有釐米級精度的[或約半英寸精度的]可能目的地影像並對其進行表徵，”昂說。
未來的概念包括成群結隊地協同工作的飛行器，或更大的飛行器，可以獨立地從一個地點旅行到另一個地點，從而實現一種新型的異世界探索。JPL 正在研究潛在的火星直升機，重量可達 33 磅，可攜帶高達約 3.3 磅的有效載荷。NASA 還在資助一項更雄心勃勃的基於直升機的任務，名為“蜻蜓號”，以探索土星最大的衛星泰坦上豐富的有機化學物質。這顆天然衛星擁有濃厚的大氣層，以及厚厚的碳氫化合物大氣層下的液態甲烷湖泊和海洋，以及水狀的地下海洋，使其成為尋找地球以外生命的一個誘人世界。
“在過去幾年中真正改變的是無人機革命——無人機和自主飛行技術的巨大發展，”蜻蜓號首席研究員、約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家伊麗莎白·特託說。“當我們研究提出探索泰坦的有意義的任務架構時，我們意識到我們現在真的擁有了所有這些能力。”
然而，首先，必須證明在火星上進行動力飛行是可能的。而這樣做是耗資 8500 萬美元的“機智號”任務的唯一目標。
這架直升機比壘球稍大，減去其四個碳纖維葉片，這些葉片在兩個反向旋轉的旋翼上旋轉，並坐在四條腿上，每條腿長 15 英寸。它攜帶微型航空電子和通訊裝置、導航相機、單個太陽能電池板和可充電鋰離子電池——以及加熱器，以在寒冷的火星夜晚保持電子裝置溫暖。機上沒有科學儀器；只有一個高解析度彩色成像儀。
直升機的設計需要在航空航天工程的每個領域進行創新——熱力學、機械、結構、動力、材料等等。“我們必須消除所有界限，”昂說。“我們習慣於為每個子系統配備自己的底盤……和我們自己的計算機。將所有這些整合在一起，然後結合空氣動力學方面，將整個系統整合到一個如此輕的重量中……是第一個挑戰。這也使其非常有趣和令人興奮。”
“機智號”將附著在“毅力號”探測車上，並在一個防護罩後面前往火星，以保護它免受空中起重機下降到行星表面期間可能揚起的碎片的影響。發射計劃於美國東部時間 7 月 30 日上午 7:50–9:50 在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地進行。“毅力號”預計將於 2021 年 2 月 18 日在火星著陸。
隨著探測車開始發回資料，使科學家能夠評估耶澤羅隕石坑（NASA 第五次也是最雄心勃勃的火星探測車的著陸點），昂和她的團隊將尋找一塊 33 英尺 x 33 英尺的平坦場地，作為“機智號”試飛的實驗機場，試飛計劃於 5 月開始。
“機智號”不會是第一個翱翔在另一個行星大氣層中的航天器。這一殊榮屬於 1985 年穿越金星天空的一對氣球，它們作為蘇聯時代的維加任務的一部分收集天氣資料。但“機智號”將嘗試在另一個世界進行首次動力飛行，這是 21 世紀的萊特兄弟時刻。
在放下直升機後，“毅力號”將後退至少 100 碼——足夠遠以避免在“機智號”墜毀時被擊中，但仍然足夠近以便進行無線電通訊。它的最多五次飛行將在 30 個火星日內進行，之後探測車將轉向其主要任務：評估耶澤羅隕石坑的宜居性並快取可能包含微化石或其他過去微生物生命證據的岩石和土壤樣本。
在最後一次測試中，“機智號”可以飛行高達 150 英尺的距離，可能達到其適度的最大高度，然後再返回起飛點。“由於這是一個探路者，我們沒有危險檢測和規避系統，”昂說。“這對於未來的直升機至關重要，因為在您著陸之前，您需要一個三維數字高程圖，以便能夠轉向並避開任何危險。”
火星上最重要的飛行測試將是第一次，這將複製之前在 JPL 直徑 25 英尺的真空室內部進行的測試。“我們起飛、懸停、進行適度的橫向飛行、返回並降落，”昂說。“這非常重要，因為它證實了我們所有的模型——我們在地球上進行的所有測試。”
在那次飛行之後，“機智號”的飛行應該會更大膽一些，旋翼飛行器會飛得更高，然後橫向飛得更遠，然後再返回著陸。“航空界有句諺語，唯一比駕駛自己的飛機起飛更令人興奮的事情是再次降落它，” “機智號”首席飛行員哈瓦德·格里普說。“我認為這裡的情況就是如此。”
“機智號”是計劃在火星 2020 任務中進行的三項技術演示之一。第二項是自主危險規避導航系統，“毅力號”將在其下降到 28 英里寬的耶澤羅隕石坑期間使用該系統。第三項是一種名為火星原位資源利用製氧實驗 (MOXIE) 的儀器，它將嘗試將從大氣中提取的二氧化碳轉化為氧氣，這是未來人類火星任務的潛在資源。