NASA「機智號」火星直升機寫下歷史新頁，首度在其他行星飛行！

火星表面的大氣非常稀薄，相當於地球上3萬公尺高空的情形，這個高度遠超過最強大直升機所能飛行的高度。歷史上，直升機的最高飛行紀錄是在1972年所創下，法國飛行員尚．布勒（Jean Boulet）在馬賽（Marseille）西北的空軍基地飛到了1萬2442公尺的高空。

這架火星直升機在4月9日遭遇了一些麻煩。在測試兩個旋翼高速轉動的情況時，直升機上的電腦提前關機。噴射推進實驗室團隊在查看數據後，調整了發送啟動旋翼的命令序列，讓機智號能在4月16日完成高速轉動測試。而在臺灣時間4月19日下午3點34分，也是火星當地時間的下午，這架直升機成功完成了首飛任務。

將來，類似的飛行器可能會為探測車和太空人偵察新的區域，前往難以抵達之處收集樣本，並在幾天內飛越數十公里，為火星地貌提供嶄新視野。

自4月3日汽車大小的毅力號（Perseverance）探測車將機智號放置在沒有碎片的平坦區域之後，機智號就開始獨自運作。機智號在地球上的重量只有1.8公斤，在火星上更只有680克。在火星白天相對較弱的日照下，小型太陽能電池板可為直升機電池充電，而在氣溫陡降至攝氏零下90度的夜晚，則利用電熱器為直升機保暖。

NASA的毅力號探測車於4月6日與機智號直升機在火星上的自拍照。接著毅力號駛向了61公尺外的高處，俯瞰機智號嘗試進行飛行。PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH/MSSS

為了在火星大氣進行短暫首飛，這架小型旋翼機配備了類似我們手機內的中央處理器、自駕車的自動導航技術、八個鋰離子電池和輕型複合材料。兩個長120公分的碳纖維旋翼得達到每分鐘約2500轉的轉速──大約是普通直升機旋翼速度的五倍──才能飛離地表。

團隊成員在機智號的首飛後，開始著手計畫第二次飛行。下次可能會執行相同的懸停操作，但會飛得更高也更久。能夠使用毅力號作為對地球通訊中繼站的直升機測試窗口有31天，現在大約位於一半的時間點，之後探測車就會駛離並開始搜索火星過去的生命跡象。團隊計畫在沿著15公尺長的區域內，最多進行五次的往返飛行。

「這真是讓人難以置信，」NASA科學副署長湯瑪斯．澤布謙（Thomas Zurbuchen）表示：「這是人類史上首度在火星上飛行直升機。」

「別再跟我說不可能了！」

2015年，火星直升機團隊正準備向NASA總部簡報，以尋求經費來建造「降低風險的運載工具」（risk reduction vehicle）原型。當時他們已經在噴射推進實驗室的真空室內飛行、並撞毀了三分之一比例的模型。測試時會將真空室的空氣抽至低壓並灌滿二氧化碳，以模擬火星的大氣環境。

翁米米在準備簡報時，忽然靈光一閃。人類無法直接操縱這架直升機，因為它將在數億公里外的其他行星上飛行，而且地球與火星之間約有15分鐘的通訊延遲。也就是說，直升機必須自行飛行，這表示要開發一種輕量電腦，以快速估算直升機的位置並據此調整旋翼。

機智號的團隊成員於2019年2月1日在加州帕沙第納（Pasadena）NASA噴射推進實驗室7.6公尺寬的真空室「太空模擬室」（Space Simulator）內檢查直升機。 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH

翁米米說：「這取決於直升機對擾動的反應速度。」 直升機可能會面臨高達每小時35公里的陣風以及壓力的變化，這讓直升機很難在稀薄的空氣中保持穩定飛行。

但翁米米知道這是她的團隊可以解決的問題。他們已經利用三分之一比例模型證明直升機在火星起飛的可能性，而專精自動技術的電機工程師翁米米知道，21世紀的電子技術已經足以製造出能讓直升機飛行的小型電腦。

「從那刻之後，簡直就像是──別再跟我說不可能了！」翁米米說：「 還有什麼能阻擋我們呢？」

但要讓NASA總部信服可不只是一次簡報就能做到，他們提供經費建造了在2016年進行了一連串測試的原型機。首先是將直升機固定在真空室內的定點，轉動旋翼並測量轉矩和升力，以確保數學與團隊模型相符。

但是當原型機定位時，來自旋翼的力量可能會與地面和測試臺交互作用。這種交互作用展生的振動可能會影響直升機的控制系統，並讓直升機碎裂──和造成真實大小直升機在嘗試起飛時碎裂的效應相同。

「我們有可能會失去一切，」翁米米說：「如果我們在任何時候發生這樣的情形，那計畫可能會被取消。」就算計畫繼續進行，但當時若是測試失敗可能會使團隊無法及時完成直升機，讓它得以貼著探測車底部飛上火星。毅力號探測車預定於2020年7月地球和火星處於最佳相對位置時發射，「不管有沒有我們的直升機，毅力號都會出發。」

2020年4月29日，NASA的工程師正在進行毅力號探測車的行前準備工作，它將前往4億8000萬公里旅程外的火星表面。在影像中可以看到毅力號探測車的底部和貼附的機智號直升機（影像的下部中央）。 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH

測試成功、數學也沒錯。這架原型機能在真空室中飛行、懸停、轉向和降落，這表示直升機不僅可以在火星上起飛，還能自動控制飛行。

「我們解決了空氣動力學上的挑戰，」機智號的總工程師包伯．巴拉雷姆（Bob Balaram）回憶起當時的想法， 「現在我們要來打造直升機的其他部分了。」

碳纖維和釣魚線

質量是飛行的大敵，尤其是在火星上。機智號直升機每增加1克，都會使旋翼必須產生的升力和推力增加。

「直升機得要非常輕量，」直升機副營運長泰迪．扎內托斯（Teddy Tzanetos）表示：「機智號的質量是1.8公斤，要將我們所有需要的東西塞進這1.8公斤裡，真是項工程壯舉。」

2021年3月21日是飛行任務的第30個火星日，從毅力號探測車的底部釋放了保護機智號直升機的碎片保護罩。直升機稍後將向下旋轉，脫離探測車的底部。 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH/MSSS

直升飛機的大部分零件，包括旋翼、起落架和機身（裝有電子設備的小盒），都是由位於加州西米谷的航空承包商AeroVironment公司所製造。這家公司為NASA製造軍用無人機及實驗飛機，像是有著以太陽能板作為動力的飛翼「太陽神號」（Helios）──與直升機不同，它的飛行高度可高達約3萬公尺。

機智號的兩個碳纖維旋翼以相反的方向轉動，抵消了單旋翼直升機的轉矩（單旋翼直升機利用尾槳來抵消主旋翼產生的轉矩）。這些旋翼不僅要夠大、非常輕巧，而且還要非常硬挺，以免因為晃動而破壞氣流。

「同樣也是由碳纖維製成的起落架，是另一個『有趣的挑戰』，」自計畫開始就參與火星直升機工作的AeroVironment資深航空機械工程師班．皮彭伯格（Ben Pipenberg）這麼說。

他說：「火星上的重力約為地球上的三分之一，著陸時得非常小心才不會反彈。」起落架也必須折疊收起，這樣機智號才能緊貼著毅力號的車底下方飛向火星。「如果在放下直升機時起落架沒有打開，或是直升機著陸時因反彈而翻轉──那非常不幸，一切都完了。

在火星表面的NASA機智號直升機。這張照片是在4月5日由毅力號的桅杆相機-Z（Mastcam-Z）所拍攝的，這是探測車上的一對可變焦相機。 PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH/ASU

火星的重力也帶來了其他挑戰──無法在地球上完美模擬火星環境。2018年，團隊在噴射推進實驗室的真空室內測試了機智號直升機的原尺寸同型機，他們抽氣讓大氣壓力減弱，並打入適當氣體以模擬火星上的大氣環境。但重力就無法調整了，為此他們使用了所謂的「重力卸載系統」（gravity offload system）來補償。

「你可以把這個系統想像成是個有著釣線的釣魚線軸、馬達和非常精確的轉矩感測器。」扎內托斯這麼說，這條線用「非常牢固的結」與直升機相繫，還有數個做為備用的繩結，線軸以非常準確的力道向上拉起直升機，以模擬火星的低重力環境。

第二臺完整的原型機完成了環境測試，證明它可以承受火箭發射的振動和火星夜晚的嚴寒溫度。2019年初，團隊已經建造出要前往火星的實機，並在真空室中進行了兩次飛行能力測試。

翁米米在測試後說：「下一趟飛行，就是在火星上了。」

「上百架直升機翱翔在火星上空」

現在機智號完成了首次飛行，我們距離將飛行用作行星探索的例行工作，又再更近一步。 翁米米表示：「我的夢想是飛行器能成為探索太空的標準配備。」

1903年12月17日，奧維爾．萊特（Orville Wright）在他的兄弟威爾伯（Wilbur）在北卡羅來納州的小鷹鎮（Kitty Hawk）進行了地球上的首次受控動力飛行，這張影像紀錄了當時的情形。萊特兄弟在那天進行了四次飛行，每次飛行的時間都比上一次更久。NASA的機智號火星直升機還帶了機翼上的一小片織布飛往火星。NASA NASA

該團隊認為機智號相當於飛機版的旅居者號（Sojourner）探測車，旅居者號在1997年成為首度在火星行駛的車輛。和機智號一樣，旅居者號由更大的火星拓荒者號（Mars Pathfinder）登陸器帶往火星。

「科學界並不喜歡它，」澤布謙提到旅居者號時這麼說：「他們覺得，嘿，我們用登陸器就能完成所有我們想做的事情了。」

不到25年後的現在，NASA就有不只一輛、而是兩輛汽車大小的探測車正在火星表面探索。 2012年登陸的好奇號（Curiosity）探測車和毅力號都在解密這顆行星獨特的地質歷史，並尋找過往生命所遺留下來的痕跡。毅力號還預備要收集第一批將返回地球的火星岩石樣本，這對我們最後要了解​​火星是否曾經適合生命生存來說至關重要。

未來的直升機可能會成為探測車或甚至人類的偵察兵，他們可以探索火星車和人類根本無法抵達的區域──像是綿延4000多公里的水手號峽谷（Valles Marineris），或是約兩倍半聖母峰高度的奧林帕斯山（Olympus Mons）陡坡。

「我可以想像有上百架直升機翱翔在火星上空的場景。」在 2001年至2016年擔任噴射推進實驗室負責人的查爾斯．埃拉奇（Charles Elachi）這麼說，在他任內負責啟動了火星直升機的計畫。「我可以預見未來有個任務會是有臺著陸器，上面有好幾十架直升機，這些直升機將飛越巡查一大片區域，並帶回樣本。」

埃拉奇說，噴射推進實驗室團隊已經在思考建造更大型的直升機，能夠攜帶更重的酬載並探測更廣大的區域。「探測車一年可以走好幾公里，但直升機一天就可以飛越好幾公里，」他說：「可能的效益非常大。」

目前，團隊將仔細研究首次飛行的數據，以計畫機智號的其他飛行──也許還需要一些時間來思考未來在其他行星上飛行的飛行器。「只要有大氣，我們就可以在任何地方飛行，」翁米米表示：「這應該成為我們派遣旋翼機探索其他星球的標準規範。」

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