NASA的“毅力号”火星车目前正在火星的杰泽罗撞击坑收集岩石和土壤样本，这些样本有一天将被送回地球。根据目前的计划，在2030年，“毅力号”火星车本身将把样本管交给一个火星着陆器带回家。但是，正如NASA的火星样本返回团队在7月下旬宣布的那样，如果出现什么问题，一架小型直升机将被随时准备介入。
如果发生这种情况，“样本回收直升机”将是第二架和第三架在另一个星球上起飞的旋翼飞行器。它们被纳入NASA和欧洲空间局的联合项目——火星样本返回任务，这可能标志着火星探索新篇章的开始——在这个篇章中，小型、轻便的直升机将定期在红色星球上飞行。
在第一架飞行器在另一个星球上实现动力飞行一年多后，NASA宣布了将直升机加入火星样本返回任务的消息。2021年4月，NASA的“机智号”直升机升空飞向火星。从那时起，这架实验性旋翼飞行器又完成了28次飞行，远远超出了预期。
NASA喷气推进实验室的“机智号”火星直升机团队负责人Teddy Tzanetos说：“‘机智号’的整个意义在于成为‘莱特兄弟时刻’，从而为未来的火星空中探索奠定基础。“‘机智号’的目标是让飞行变得‘枯燥’……现在我们可以继续进行枯燥的飞行，并用枯燥的飞行完成令人兴奋的事情。”
最初，火星样本返回任务的概念包括一个所谓的“取样漫游车”：一种能够收集“毅力号”火星车已缓存的样本的机器人。取样漫游车会将这些样本在火星表面运送几百码，到达杰泽罗撞击坑附近的一个着陆器，然后将样本管转移到火星上升飞行器。这个由火箭驱动的上升飞行器随后会将装有样本管的容器发射到轨道上，在那里，一艘以返回地球为目标的空间飞船将等待在那里。
然而，火星样本返回任务副项目经理Ann Devereaux表示，“要制造一个足够大、足够强大、能够完成合理样本采集工作的漫游车存在问题。”设计并运送这样一辆漫游车以及火星上升飞行器成本高昂。
就在“机智号”进行首次试飞的时候，团队正在探索其他概念。在旋翼飞行器被证明是成功之后，工程师们开始研究直升机是否是获取“毅力号”缓存样本的最佳选择。
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Devereaux说，在许多情况下，直升机比漫游车更小、更轻、更灵活。虽然这些飞行器需要一个安全的着陆地点，但它们不必担心在沙丘上行驶的沉重轮胎。
样本返回直升机与“机智号”的设计差别不大。“在谈论太空机器人时，传承性至关重要，”Tzanetos说。“我们希望尽可能地保留‘机智号’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——仅相当于地球的1%——所以火星上的任何飞行器都必须非常轻，并且拥有大型、快速旋转的旋翼叶片才能提供足够的升力。“机智号”的重复飞行证实了NASA的气动模拟是准确的——模型将指导工程师如何建造这对新的飞行机器人。
“现在我们可以继续进行枯燥的飞行，并用枯燥的飞行完成令人兴奋的事情。”
Teddy Tzanetos
然而，样本回收直升机不会是“机智号”的精确复制品。Tzanetos说，团队将不得不做一些调整，因为这两架旋翼飞行器将需要完成更多工作，而不仅仅是飞行。它们需要从着陆器飞行约2300英尺到缓存点，取回一个样本管，飞回着陆器，然后将其放到指定的投放点——然后重复这个过程15次。
这意味着这些直升机将必须支持比4磅重的“机智号”更重的载荷。根据Tzanetos的说法，目前样本回收直升机的概念设计要求增加额外的工具，例如用于抓取样本的机械臂以及用于在缓存点和投放点进行机动的轮子，这可能会给这些机器人增加一磅的重量。
“我们已经完成了计算，我们发现我们可以对旋翼系统进行某些更改，使其能够提升更多的质量，”他说。“现在，火星样本返回任务的领导者已经决定继续推进取样直升机的概念，Tzanetos和他的团队正专注于进行这些调整。”
他们的第一个步骤是确定他们可以在多大程度上进一步改进“机智号”的原始旋翼系统。Tzanetos说，以防万一火星环境比团队的模型预测的更具挑战性，工程师们设计了这个测试直升机，使其具有比必要时更多的升力。
“我们开始研究如何在所有这些不同的质量应用之间找到最佳的权衡点，”他说。“例如，我们可以稍微加快叶片的旋转速度，我们可以要求旋翼系统承担更多的工作，我们可以携带更重的飞机，从而使我们能够完成任务。”
然而，这些直升机可能最终根本不需要使用。它们将被运往火星，以防“毅力号”火星车无法交付样本，或者在回收完成之前该机器人就已失效。
但是，“机智号”的成功可能已经预示了直升机在火星上的未来。
“这架直升机表现非凡，”Devereaux说，她描述了“机智号”如何在“毅力号”火星车前面飞行并提前侦察其地面探测任务。“她补充说，直升机为我们提供了对我们邻近星球的额外视角。也许有一天，一架类似无人机的旋翼飞行器可以飞越峡谷，例如构成水手谷的那些，近距离揭示这颗红色星球的地质层，而漫游车无法到达那里。
“漫游车在火星探索中已经变得很普遍了，”Tzanetos说。“我们知道如何制造漫游车，我们知道如何操作漫游车。我希望在未来几十年里，我们也能对直升机说同样的话。”他补充说，也许有一天，拥有像飞机一样的机翼或直升机般的旋翼的飞机编队将填满火星的天空。
