没有新着陆器或漫游车，NASA火星计划押注直升机
30多年来，NASA首次没有任何明确的火星着陆器或漫游车发射计划。在近期，该机构在这颗红色星球上的重点转向了空中无人机——这是一种直到几年前才被视为可行的全新探索方式。
火星上首次真正的无人机科学任务将是 SkyFall 任务——由三架直升机组成的机队，最快将于2028年底发射。SkyFall 的直升机将搭乘 NASA 的 Space Reactor-1 "Freedom" 任务前往火星，该任务的主要目标是验证深空核电推进技术。
SR-1 Freedom 和 SkyFall 的发射时间表相当激进，而这两个项目在半年前甚至还不存在于 NASA 的规划中。SR-1 Freedom 任务预计耗资21亿美元，计划将已取消的 Gateway 月球空间站核心舱改造为核电推进试验平台。SkyFall 将基于 NASA 的 Ingenuity 直升机所取得的成功——那架实验性飞行器于2021年成为首个在另一个星球上飞行的旋翼机。
NASA 喷气推进实验室正与高空无人机开发商 AeroVironment 合作，设计并制造三架 SkyFall 直升机及一架备用机。同样的团队此前打造了五年前随 NASA 的毅力号漫游车一同登陆火星的 Ingenuity 直升机。
研发进展中
AeroVironment 上周宣布，已获得喷气推进实验室的合同，负责三架 SkyFall 直升机的"协同设计与协同制造"。Ingenuity 在2024年初坠毁之前共飞行了72次，远超最初计划的5次试飞。工程师们正以 Ingenuity 的设计为基础来开发 SkyFall 直升机。新飞行器将比 Ingenuity 略大——重量约2.5公斤（5.5磅），而非 Ingenuity 的1.8公斤（4磅）——同时升级了旋翼以承载更重的有效载荷。
AeroVironment 旗下先进研发部门 MacCready Works 负责人 Jeff Rodrian 表示，SkyFall 将证明"火星直升机可以作为一种可重复生产的产品线来打造，而非一次性的定制产品"。
AeroVironment 在新闻稿中表示，公司将负责直升机的旋翼系统、机身、结构、航空电子集成以及科学载荷的适配工作。JPL 则负责开发电源系统、电子设备、算法和软件，并配备一台探地雷达，用于探测火星表面以下的浅层冰层。每架直升机还将搭载一套相机和传感器，用于采集火星大气数据。
这是对 Ingenuity 的升级——后者只搭载了两台相机，且缺乏任何精密的科学仪器。Ingenuity 的活动范围受限于必须通过"毅力号"火星车上的基站进行通信，而 SkyFall 将能够通过绕火星飞行通信中继轨道器收发数据。
这张 NASA 机智号火星直升机的图像由"毅力号"火星车上的 Mastcam-Z 仪器于 2023 年 8 月 2 日采集的数据生成。
图片来源：
NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS
AeroVironment 太空业务负责人 Will Pomerantz 表示："我们一直在关注 NASA 的发射计划，想弄清楚什么时候能搭个顺风车——钻进火星车或着陆器的肚子里，跟着它们一起飞往火星表面。但后来情况越来越明朗，尤其是火星样本返回计划变更之后，短期内估计不会有任何探测器前往火星表面，而我们不想干等着。"
于是工程师们想出了一种新的方案来把 SkyFall 直升机送上火星。与 Ingenuity 搭乘火星车的方式不同，SkyFall 将在飞向火星的过程中与 SR-1 Freedom 飞船分离，在隔热罩的保护下进入火星大气层，随后自主释放并依靠自身动力着陆。
"这其实开启了 SkyFall 机动方案的最初讨论，"Pomerantz 说，"我们认为这是可行的。我们完全可以设计这样的任务：让直升机被'扔'出来——从进入舱中弹出，在它刚刚穿过火星大气层的时候，就自行降落到地表，而不需要着陆器平台或火星车平台来帮忙。"
"我们对这个想法非常兴奋，"他继续说道，"说真的，它开启了全新的运行模式和发射窗口，让我们能以更低成本去探索火星表面，这让我很激动，而且也许还能去到其他探测方式难以抵达的地方。"
成本上限与质量限制
NASA 尚未公布 SkyFall 任务的预计费用，一位机构发言人拒绝向 Ars 透露 JPL 与 AeroVironment 合同的具体金额。
尽管有这些优势，SkyFall 这类无人机也存在着局限。
如今小型化技术的进步，已经可以把雷达等载荷塞进 SkyFall 这样小的平台。但要在火星直升机上塞进一整套火星车级别的仪器是不现实的。这意味着，至少目前来看，它无法搭载机械臂、钻探设备，也无法携带用来寻找过去或现存生命迹象的载荷。SkyFall 上搭载的探地雷达呼应了 NASA 数十年来指导火星探索的策略：追寻水的踪迹。
NASA 局长 Jared Isaacman 于今年 3 月宣布了 NASA 对 SkyFall 任务以及 SR-1 Freedom 的支持。在特朗普政府领导下，NASA 的首要任务显然是在月球表面建立月球基地。Isaacman 同时力推核动力推进，并正在寻找未来几年内"拿得出手"且负担得起的成果。SkyFall 正好符合这一需求。
"我们已经埋头苦干了几个月，"波默兰茨说。"我们又一次按时、按预算推进——这可是我航空航天生涯里难得说出口的两个词，不过在 AeroVironment 的每一个火星直升机项目上，我都说过。"
最近地面测试的一项突破涉及 SkyFall 直升机将使用的更大尺寸旋翼叶片。火星大气稀薄，密度仅为地球海平面空气的 1%，因此火星直升机必须以比地球更高的转速旋翼才能产生升力。飞行器越重，所需的升力越大，所以 SkyFall 的旋翼会比机智号的更大。这意味着 SkyFall 旋翼叶尖将以超音速切入火星大气。机智号的设计者刻意把旋翼转速控制在马赫 1 以下，担心叶片会因此碎裂。
今年早些时候，工程师们将 SkyFall 尺寸的旋翼叶片放入测试舱内，以马赫 1.08 的最高转速旋转，叶片完好无损。
"我们成功把旋翼叶尖转速推到了超声速以上，"波默兰茨说。"这让我们对飞行器以最高效率运行的能力充满信心，也让我们对执行 SkyFall 机动本身充满信心——包括首次飞行中将经历的状态变化：从进入舱脱离，一路飞到地面。"
NASA 仍在为 SkyFall 选址，但为了寻找埋藏的水冰，直升机的落点可能会更靠近火星两极的永久冰盖。波默兰茨表示，喷气推进实验室和 AeroVironment 的工程师们正在研发更大的太阳能板，以提升高纬度地区的发电能力。至于科学家将如何使用这些直升机，现在谈论还为时过早。它们到达火星后或许会分头飞向不同方向，也可能协同进行观测。
"这确实是一个非常酷的任务。它本身就是一项技术验证项目，验证这套 SkyFall 机动方案。"Pomerantz 说，"同时，真正的目标是我们要承载一项科学任务，带着专门的科学仪器四处飞行，其中就包括探地雷达。"
SkyFall 直升机在火星表面准备部署的艺术效果图。
Credit:
NASA/JPL-Caltech
只有直升机，别的没了
尽管 SkyFall 令人振奋，但 NASA 的火星探测计划正处在艰难时期。由于成本不断飙升（其中一项独立估算高达 110 亿美元），NASA 已取消用机器人把火星岩石样本送回地球的计划。其最近的一辆火星车——毅力号（Perseverance）任务于 2021 年登陆这颗红色星球，目的就是采集样本以待最终送回地球。仅毅力号一项任务，NASA 至今已花费约 30 亿美元。
与此同时，NASA 行星科学任务预算在过去几年持续下降，而特朗普政府还希望进一步削减。
这并不是说火星项目已经终结。NASA 是欧空局 Rosalind Franklin 任务的小型合作伙伴，这辆火星车计划于 2028 年发射，将在火星地壳中钻探以寻找生物标记。NASA 的 ESCAPADE 任务包括两台小型轨道器，去年发射后已飞往火星，将研究火星大气与太阳风的相互作用。
NASA未来火星探索的策略如今看起来和当年登月计划的做法如出一辙：花钱买商业服务。这条路长期来看可能会有所回报，但就像NASA在商业月球任务上的经历一样，学习曲线恐怕会很陡峭，尤其是在着陆器方面。NASA的机器人商业月球着陆器计划（CLPS）已经推进了八年，至今仍未能走上正轨。而NASA与SpaceX和蓝色起源在载人登月着陆器上的合作，则是另一回事。
NASA全新的商业火星战略正在开花结果。今年6月，NASA宣布与Relativity Space合作，开发一款商业轨道器，为NASA艾姆斯研究中心运送若干科学仪器前往火星。NASA和Relativity尚未透露这次合作的技术和财务细节。
预计NASA将在今年晚些时候公布火星通信网络竞标的获胜方。该网络将增强并最终取代NASA目前在火星轨道上的老旧科学轨道器所提供的通信中继能力，以便地面控制人员与正在火星表面探测的"毅力号"和"好奇号"火星车保持联系。
波默兰茨表示，上述每一项任务都有望成为向火星运送更多直升机的潜在载体。
他说："这是我个人的愿景，也是AeroVironment的立场——每个发射窗口都应该有直升机前往火星，它们应该搭载在几乎所有飞往火星表面乃至火星轨道的系统上一同前往。它们确实能为科学界、甚至最终为载人探索社区解锁非常酷的能力，而要做到这一点，唯一的途径就是让它们易于搭载——时刻准备就绪、从不延误、成本也不高。"
"我喜欢直升机的一点是，它们是非常出色的区域性探索工具，"Pomerantz 说道。"我们每次飞行能飞超过一公里。在某些纬度地区，未来有可能会实现每天飞行不止一次。再次强调，我并不是说这些具体的直升机就一定会做到这一点，但火星直升机这类技术确实让它成为了可能。"