來源 |?量子位

作者 |?賈浩楠 蕭簫

“確認著陸！毅力號安全到達火星表面。”

就在2月21日凌晨4點55分，美國“毅力號”不經(jīng)變軌，直接沖入火星大氣層，最終成功著陸。

“毅力號”成功著陸后，很快傳回了首張圖片。

這是美國自2012年以來，再一次以“空中吊車”的方式成功著陸火星，還給火星“帶”來了首個開源Linux系統(tǒng)以及飛行軟件框架F Prime。

F Prime裝在名為“機智號”的無人機上，由毅力號攜帶到火星。

這也是直升機技術(shù)在地球外的首次使用。

值得一提的是，“機智號”上面，搭載的是高通驍龍Robotics Flight 801平臺。

其實它的核心就是2014年旗艦手機上的高通驍龍801芯片，與小米4同款（7年前用過的手機SoC現(xiàn)在登陸火星了）。

“空中吊車”式著陸

與“好奇號”相似，這一次“毅力號”同樣以“空中吊車”（sky crane）的方式著陸火星。

這種方案，會將著陸器分成兩部分，上部分是一個空中吊車，自帶8個強力反推火箭，下部分則是火星車。

從保護罩中被釋放后，“毅力號”火星車將被吊車懸掛，通過尼龍繩和負責信號、控制指令傳輸?shù)碾娎|，連接“吊車”并報告實時狀態(tài)。

吊車穩(wěn)定接觸地表后，將瞬間切斷尼龍繩和電纜，并用盡所有能量飛離“毅力號”火星車、并墜毀。

這次，“毅力號”在降落過程中，采用了2項新技術(shù)。

其一，為了盡可能降低著陸過程中的風險，在降落過程中，“毅力號”會快速拍照，通過距離觸發(fā)技術(shù)，評估與火星地面的距離。

期間，“毅力號”被包裹在保護隔熱罩中，在穿過大氣層后，打開降落傘減速降落。

在這之后，隔熱罩就會飛離，與吊車和火星車分開。

接下來，將采用第二項技術(shù)，即地形相對導航技術(shù)。系統(tǒng)利用這一技術(shù)，將著陸器拍的照片與機載地圖相比較，確定著陸區(qū)環(huán)境，避開危險地形。

這次，“毅力號”降落的地點“耶澤羅隕擊坑”（Jezero crater）附近散布著巨石、懸崖和沙丘，地勢較為嚴峻。

但通過地形相對導航技術(shù)，吊車憑借點燃的8個反推火箭，引導“毅力號”避開了危險區(qū)域，最終成功著陸。

這次，毅力號還攜帶了兩個麥克風（也是麥克風第一次被送上火星），來傾聽火星上的聲音。

這次將完成什么任務？

這次，“毅力號”火星車帶來了7臺重要儀器。

包括全景相機、激光測距儀、X射線光譜儀、紫外光譜儀、制氧器、氣象觀測設備、雷達等等。

這次它的主要任務，首先在著陸的火星遠古湖泊地形中尋找生命可能存在的證據(jù)。

第二項任務，是采集火星地表土壤和巖石樣本，并就地封存，等待今后NASA的火星任務將它取回來。

其它兩項任務，包括探索著陸區(qū)域的地質(zhì)多樣性、為未來的火星任務驗證新技術(shù)，這其中就包括了無人機的首飛實驗，以及為登錄火星的宇航員制備氧氣。

火星首飛無人機，有什么黑科技？

重達一噸的毅力號火星車，史無前例的巨大和復雜，搭載了近十種科學儀器和探測設備。

但是，即使如此，火星車仍然有很大的局限，難以滿足人類探索的好奇心。

首先是受制于火星嚴酷的環(huán)境條件（平均-63℃），火星車的移動速度十分緩慢。

人們最為熟知的“好奇號”迄今為止已運行了八年多，才累積行駛了22公里，平均速度還沒有蝸?？?。

其次是火星車“越野”能力不足，無法進入山谷、坑道、懸崖等復雜地形作業(yè)。

于是，NASA的研究人員就想了一個辦法來擴展火星車的視野——無人機。

即將進行史上首次火星飛行的無人機機智號 （Ingenuity），藏在火星車腹艙內(nèi)一起登陸。

第一次登陸火星的機智號并沒有承擔任何具體的科研任務。

它的主要使命，就是驗證無人機在火星環(huán)境中的可行性，收集飛行和火星大氣數(shù)據(jù)，為今后能真正執(zhí)行任務的無人機迭代經(jīng)驗。

那么，人類首架火星無人機，要克服哪些地球上沒有的困難，又有哪些黑科技和看點？

只有1%大氣壓也能飛

給火星車配一個無人機，其實這個點子不難想到，真正的難點在于：怎么讓它飛起來？

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??火星表面的重力大約只有地球的1/3（38%），看起來似乎很容易起飛，但有一點非常致命：火星大氣的密度只有地球的1%。

這相當于在地球上3萬米以上的高空起飛，而目前的高原型無人機，也不過可以確保最高在6500米的海拔正常飛行。

除了大氣密度低，火星上的音速也比地球低不少，只有240米每秒。

如果葉片的自旋末梢速度超過音速，就會引發(fā)強烈的顫振，所以要把葉片的轉(zhuǎn)速限制在每秒40轉(zhuǎn)之內(nèi)。

限制轉(zhuǎn)速，又要有足夠升力，這就要求整個設備不能過重。

最終的方案是無人機全重1.8公斤，高0.5米。采用頂部安裝兩對碳纖維螺旋槳來提供動力，直徑1.2米，設計轉(zhuǎn)速可達每分鐘2400轉(zhuǎn)，功率350瓦。

測試階段，NASA的JPL實驗室準備了一個名叫“空間模擬器”的巨大房間，可以模擬無人機在離開地球之后可能面臨的各種極端氣溫，以及火星大氣、重力環(huán)境。

最終，機智號實現(xiàn)了在-90℃的模擬火星環(huán)境下正常工作，水平移動的速度為10米每秒，爬升速度為3米每秒。

實現(xiàn)基本功能后，無人機還有一個重要挑戰(zhàn)，就是通信和控制。

但火星和地球距離有10光分左右，不可能實現(xiàn)實時控制。

注：光分，即光在真空中一分鐘所行走的距離。

所以，研究團隊設計了一個指令列表，預裝在毅力號上，由火星車對無人機進行通信指揮。

所以，機智號不能離火星車太遠，設計的4次飛行測試，范圍都不超過50米，時間也在90秒之內(nèi)。

飛行中，無人機會捕捉圖像，而毅力號也有可能拍下一些機智號盤旋在空中的圖像。

首架火星無人機，7年前手機同款芯片

你沒看錯，火星無人機上用的處理器，就是小米和其他很多普通民用手機的同款。

而且，還是7年前的旗艦手機小米4同款芯片——高通驍龍801（28nm制程）。

為什么選擇民用產(chǎn)品？

最重要的原因是，無人機對實時數(shù)據(jù)處理要求更高，包括飛行時的姿態(tài)控制、圖像處理等等任務，而火星車上搭載的成熟產(chǎn)品不能滿足要求。

一般來說，為了保證航天任務的成功率，傳統(tǒng)航天器使用的設備，都偏重成熟穩(wěn)定型號。

比如好奇號火星車的電腦使用的 CPU 是PowerPC 750（150nm制程，最高主頻200MHz），其他的硬件配置也很低。

但由于機智號本身是實驗驗證性質(zhì)，NASA反倒愿意承擔一些風險，特別允許項目組在市場上采購民用產(chǎn)品。

最終選定的驍龍801處理器，除了體積小、抗輻射指標達標之外，算力更是比毅力號火星車上的處理器高好幾個數(shù)量級。

除了處理器，機智號無人機的導航設備，包括慣性測量單元IMU、激光測距儀等等設備，都是通過電商平臺SparkFun購買的，而且它們都是普通的手機級硬件。

這些民用品能不能在火星上與航天軍工產(chǎn)品一較高下，很快就會見分曉。

首個火星無人機代碼，開源！

NASA“一聲炮響”，給火星送來了Linux系統(tǒng)「手動狗頭」。

沒錯，成功著陸的毅力號火星車，第一次把Linux操作系統(tǒng)帶上了火星。

之前的NASA的火星探測器，使用的是VxWorks商業(yè)操作系統(tǒng)。

使用Linux系統(tǒng)的設備，正是即將進行史上首次火星飛行的無人機機智號 （Ingenuity）。

而且，NASA的噴氣推進實驗室為火星無人機開發(fā)的Linux飛行控制系統(tǒng)，開源了。

現(xiàn)在，任何開發(fā)者都能在Github上下載NASA火星無人機“同款”代碼，并用在自己的飛行器上。

隨著美國“毅力號”著陸、并開始進行一系列任務的同時，我國的“天問一號”，也已經(jīng)在進行著陸的準備。

天問一號怎么樣了？

目前，天問一號已經(jīng)于2月10號入軌，并計劃于5月左右，實施火星車登陸任務。

與毅力號直接進行“空中吊車”著陸的方式不同，天問一號將采用動力下降進行著陸的方式，即火箭反推懸停降落技術(shù)。

就是說，反推火箭會一直工作，直到著陸器降落到火星表面。

相比于著陸器本身，這項技術(shù)需要的燃料罐和反推火箭體積更大，傳感系統(tǒng)也都裝在著陸器底部。

由于燃料罐和反推火箭沒有辦法在著陸前完成脫離，因此，需要著陸腿增大跨距，以提高著陸安全性。

這也是目前最安全的著陸方案，著陸后，著陸器將放出火星車。

天問一號攜帶的火星車，采用太陽能供電，設計壽命90天。

如果最終這輛火星車成功著陸并運行，將成為人類史上首個一次性完成“繞、落、巡”的火星探測器。

期待它在5月份的表現(xiàn)。

NASA火星無人機開源地址：
https://github.com/nasa/fprime

參考鏈接：
https://www.wired.com/story/nasa-lands-the-perseverance-rover-on-mars/
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00432-1
https://arstechnica.com/science/2021/02/what-to-expect-from-the-dramatic-mars-perseverance-landing-on-thursday/
https://spectrum.ieee.org/automaton/aerospace/robotic-exploration/nasa-designed-perseverance-helicopter-rover-fly-autonomously-mars
https://www.futurezone.de/science/article216775269/Der-Mars-Hubschrauber-funktioniert-die-NASA-hats-bewiesen.html

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