在致力於直升機研究的 2024 年變革性垂直飛行會議開幕日，大型禮堂幾乎座無虛席。NASA 的首席工程師哈瓦德·格里普站在等待的人群面前，他們都是航空機械工程師，他將就“獨創號”的諸多成就和隕落髮表演講。“獨創號”是一架創紀錄的直升機，它在火星上飛行了數十次任務，最終於 2024 年 1 月中旬墜毀。
格里普在談到該機構用於設計“獨創號”的過程時說：“我們學到了很多。”“獨創號”的飛行開創了直升機研究的全新領域，它在火星稀薄而奇異的空氣中飛行。從設計到測試協議，一切都是從零開始開發的。他將這款開創性直升機的測試實驗室描述為“簡陋的”風洞：為了測量原型機上的風力運動，研究人員使用了一個巨大的手臂，它抓住直升機並在一個 25 英尺的房間內擺動，該房間複製了火星的大氣條件。
從機械工程的角度來看，“獨創號”是一次決定性的勝利，完成了 71 次成功的飛行。但是，這架直升機也有一個致命弱點：對於任務成功至關重要的自主導航軟體，也很難在荒涼、毫無特徵的地形中確定飛行器的方向，因為它過度依賴岩石等小規模特徵作為航路點。在“獨創號”的最後一次飛行中，當 NASA 指示“獨創號”降落在平淡無奇的沙質平地上時，飛行器失去了方向感，急劇傾斜，並將旋翼撞到沙地上，折斷了葉片的尖端。
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“回想起來，我們可以看到這種地形與其他我們飛行過的地形有何不同，”格里普說，他曾在直升機早期擔任“獨創號”的首席飛行員。“事實證明，這對‘獨創號’來說有點太具挑戰性了，這就是一個教訓，對吧？”
“獨創號”已經完成了它的最後一次任務，但在十年內，至少它的一個技術後代可能會踏上前往遙遠行星的旅程。會議上的幾位發言人介紹了從他們的先驅父輩的域外飛行中獲得的知識中受益的新型或更新的直升機設計。
當時，會議因 NASA 將直升機視為行星探索不可或缺的一部分的總體情緒而備受鼓舞。然而，現在，在最近有好有壞的訊息之後，未來變得更加不明朗。
空中復興
將直升機納入星際任務有令人信服的理由。漫遊車往往速度緩慢，並且根本無法在某些更令人生畏的地形中導航。另一方面，NASA 設計的直升機能夠在火星上達到近 70 英里/小時的峰值速度，攀升到山峰之巔，然後下降到古代海洋遺留下來的隕石坑深處。一種設計的機動能力甚至應該使其能夠探索洞穴內部。
“獨創號”的成就引發了一場直升機科學的復興，NASA 已經制定了幾個行星直升機的規格清單，其中大多數永遠不會建造。但是，每種新的配置都有助於 NASA 學習和迭代，以期為一系列具有挑戰性的條件確定最佳設計。
最成熟的計劃包括 “蜻蜓”，它最近獲得了綠燈，將前往土星最大的衛星，以及樣本回收直升機 (SRH)，由於它是太空機構陷入困境的火星樣本返回 (MSR) 計劃的潛在組成部分，因此其未來尚不明朗。其他可能性包括一些概念直升機，例如，火星科學直升機，它不需要漫遊車或著陸器作為“母船”，以及用於調查和分析的行星遙測直升機 (PYTHIA)，旨在進入紅色星球巨大的熔岩管。
“獨創號”的教訓
格里普在他的演講中開玩笑說，“獨創號”最大的成就是簡單地表明在另一個世界飛行是可以實現的。“這是一次令人難以置信的旅程，”他說。“我曾幾次擔心我們讓它看起來太容易了。在火星上飛行實際上很困難。”
火星上的直升機面臨著許多非同尋常的挑戰。影響直升機空氣動力學的關鍵物理概念是空氣密度、聲速以及稱為雷諾數的概念，它告訴您車輛周圍的氣流有多湍流。
對於火星，NASA 的工程師最初只專注於補償獨特的空氣密度，通常引用的空氣密度僅為地球的 1%。如此“稀薄”的空氣使直升機產生升力變得更加困難。NASA 艾姆斯研究中心的航空機械主管威廉·沃姆布羅特說，情況也稍微複雜一些。火星地質較低的區域空氣密度較高，使直升機飛行成為可能。但是，海拔較高的區域的空氣密度低於 1%，需要更精密的飛行設計。
最初，“獨創號”的設計完全基於克服低海拔空氣密度的挑戰。但是，當團隊測試其首個自由飛行原型機時，它不穩定，在測試過程中搖晃和抖動。格里普說，該團隊不敢再次嘗試，直到掌握了聲速和雷諾數如何影響飛行。這最終促成了研究人員的第二個原型機，該原型機“確實成功了”。
為了幫助規劃未來的任務，科學家們使用了飛行日誌資料來了解如何處理火星上的大氣條件。透過檢視“獨創號”在飛行過程中自主用於穩定自身姿態的微小推力調整，他們可以推斷出不同高度的風速的詳細資訊，這在地球上的望遠鏡或火星軌道或地表上的儀器中是無法測量的。
沃姆布羅特解釋說：“推力向量必須指向風中，因為它必須克服風造成的機身阻力。”
在一個更平凡但同樣重要的方面，沃姆布羅特說，“獨創號”團隊很高興確認消費電子產品可以處理星際探索。“獨創號”的大腦來自相當於一部簡單手機處理器的裝置，它能夠承受火箭發射和火星著陸的極端條件，以及外星世界的地表低壓和可變溫度——這一事實在會議的幾次演講中被提及。此前，NASA 僅使用定製硬體，這需要昂貴的測試來證明其太空適用性。沃姆布羅特說，使用商用元件的能力將在未來的設計中提供巨大的成本優勢。
航向修正
在“獨創號”之後，一對 SRH 本應是第一批返回火星的飛行器。從外觀上看，SRH 與“獨創號”非常相似，其框架頂部也有類似的堆疊式旋翼葉片配置。但是，SRH 除了“獨創號”能夠處理的功能外，還有一項額外的技巧，因為它旨在拾取樣本以返回地球。
自 2021 年以來，作為 NASA MSR 計劃的一部分，該太空機構的“毅力號”漫遊車一直在火星的傑澤羅隕石坑周圍的一個名為三叉路口倉庫的區域收集和存放小型樣本管。NASA 從事 SRH 專案的機械工程師雅典娜·陳說，為了抓取這些管子，SRH 的設計包括一個手臂和夾爪，以及輪子，使其能夠在需要時短距離行駛。
陳當時正在設計用於新風洞的 SRH 測試裝置，這時 NASA 在 4 月 15 日星期一舉行了一次新聞釋出會，宣佈它已經“縮減”了該計劃的直升機。一份獨立審查委員會的報告發現，整個 MSR 計劃的成本可能高達 110 億美元，遠高於最初提出的 60 億美元。審查委員會還對該任務的時間表表示擔憂，該時間表估計在 2040 年左右將火星岩石帶回地球。在新聞釋出會上，NASA 局長比爾·納爾遜告訴記者，這將是該機構“將在火星上著陸宇航員”的同一個十年，表面上使樣本返回變得毫無意義。
目前，NASA 的科學任務理事會已更新了 MSR 設計規範，其方式“不允許容納直升機”。然而，它也包括一個後門，允許 NASA 可能擠進一架直升機“以增加風險降低”，儘管預算更緊張。關於直升機何時將再次飛越火星不太友好的天空的問題懸而未決。
下一站：泰坦
唯一一架有保證發射的直升機——剛剛於 4 月 16 日確認——是“蜻蜓”，它將對更遙遠的世界進行取樣：土星衛星泰坦的表面。樣品將在現場分析，而不是返回地球。
與火星不同，泰坦的大氣層類似於濃湯——比地球稠密 60%。如此稠密的大氣層有利於直升機，因為螺旋槳將能夠推動稠密的空氣以產生巨大的推力。
沃姆布羅特說：“大氣層的密度意味著人類可能能夠在泰坦的空氣中‘游泳’飛行。”
如此有利的空氣動力學環境使工程師能夠設計出更重的飛行器，它更像科幻小說中的東西。“獨創號”和“蜻蜓”都採用了堆疊式同軸旋翼設計，但比較到此為止。“蜻蜓”大約有一輛汽車那麼大，重量超過 900 磅，與“蜻蜓”相比，“獨創號”顯得像個小不點。它有四組堆疊式旋翼環繞其周邊，而不僅僅是像“獨創號”那樣從中心伸出一個。
工程師們還為“蜻蜓”配備了核動力源，放棄了“獨創號”及其同類產品使用的太陽能電池板。鈽 238 將為“蜻蜓”的放射性同位素溫差發電機提供動力，以便為飛行器的電池充電。NASA 工程師傑森·科尼利厄斯說，之所以需要核動力源，是因為太陽光太微弱，無法為泰坦上的太陽能電池板充電。這種微弱的光線源於兩個方面——衛星與太陽的距離太遠以及其稠密、光線衰減的大氣層。
他補充說：“我們還利用核電站的熱量來保持車輛溫暖”——這是一項有用的好處，因為泰坦的表面溫度約為零下 290 華氏度（零下 180 攝氏度）。
重返紅色星球
2023 年底，格里普離開了“獨創號”計劃，成為火星科學直升機 (MSH) 的首席工程師。他說，MSH 的設計尚未完全確定，但它很可能是第一個放棄堆疊式旋翼葉片配置並改為使用六旋翼機設計的火星任務，該設計將六個旋翼葉片圍繞飛行器主體間隔開。它的高度略高於四英尺，重量僅為五磅，也將比“獨創號”更大更重，並且能夠攜帶約 68 磅的總重量，包括約 18 磅的有效載荷。
格里普說：“考慮它的最佳方式是，它是一個概念，在過去幾年中受到了相當多的關注和研究，但它不是一項已批准的任務。”
另一個有希望的概念是 PYTHIA，它旨在導航火星的洞穴。過去，火星上的活火山透過隧道將熱熔岩推到地表。火山冷卻後，隧道硬化成巨大的熔岩管。
在會議上，NASA 團隊介紹了 PYTHIA 的擬議設計，即採用較小的無人機機身，帶有四個旋翼和八個葉片。已經選定了一個潛在的著陸點：阿西亞山，火星海拔第三高的地點，海拔約 38,000 英尺。得益於“獨創號”的飛行資料，工程師們知道 PYTHIA 將面臨的極低氣壓，並已建模如何進行補償，以便它可以駕馭如此高度。
隨著直升機排隊前往遙遠、不適宜居住的世界，它們正在為探索不僅是外星科學，而且是飛行科學開闢新的可能性。這些見解有一天可能會幫助地球上的直升機。陳說：“這不是直接的一對一比較，但在火星上飛行可以幫助設計在地球極高海拔地區飛行的新型旋翼飛行器。”