來(lái)源 |?量子位

作者 |?賈浩楠 蕭簫

“確認(rèn)著陸！毅力號(hào)安全到達(dá)火星表面。”

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

“毅力號(hào)”成功著陸后，很快傳回了首張圖片。

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

F Prime裝在名為“機(jī)智號(hào)”的無(wú)人機(jī)上，由毅力號(hào)攜帶到火星。

這也是直升機(jī)技術(shù)在地球外的首次使用。

值得一提的是，“機(jī)智號(hào)”上面，搭載的是高通驍龍Robotics Flight 801平臺(tái)。

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

“空中吊車”式著陸

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

這種方案，會(huì)將著陸器分成兩部分，上部分是一個(gè)空中吊車，自帶8個(gè)強(qiáng)力反推火箭，下部分則是火星車。

從保護(hù)罩中被釋放后，“毅力號(hào)”火星車將被吊車懸掛，通過(guò)尼龍繩和負(fù)責(zé)信號(hào)、控制指令傳輸?shù)碾娎|，連接“吊車”并報(bào)告實(shí)時(shí)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(hào)”火星車、并墜毀。

這次，“毅力號(hào)”在降落過(guò)程中，采用了2項(xiàng)新技術(shù)。

其一，為了盡可能降低著陸過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，在降落過(guò)程中，“毅力號(hào)”會(huì)快速拍照，通過(guò)距離觸發(fā)技術(shù)，評(píng)估與火星地面的距離。

期間，“毅力號(hào)”被包裹在保護(hù)隔熱罩中，在穿過(guò)大氣層后，打開降落傘減速降落。

在這之后，隔熱罩就會(huì)飛離，與吊車和火星車分開。

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

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

但通過(guò)地形相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)，吊車憑借點(diǎn)燃的8個(gè)反推火箭，引導(dǎo)“毅力號(hào)”避開了危險(xiǎn)區(qū)域，最終成功著陸。

這次，毅力號(hào)還攜帶了兩個(gè)麥克風(fēng)（也是麥克風(fēng)第一次被送上火星），來(lái)傾聽火星上的聲音。

這次將完成什么任務(wù)？

這次，“毅力號(hào)”火星車帶來(lái)了7臺(tái)重要儀器。

包括全景相機(jī)、激光測(cè)距儀、X射線光譜儀、紫外光譜儀、制氧器、氣象觀測(cè)設(shè)備、雷達(dá)等等。

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

第二項(xiàng)任務(wù)，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(wù)將它取回來(lái)。

其它兩項(xiàng)任務(wù)，包括探索著陸區(qū)域的地質(zhì)多樣性、為未來(lái)的火星任務(wù)驗(yàn)證新技術(shù)，這其中就包括了無(wú)人機(jī)的首飛實(shí)驗(yàn)，以及為登錄火星的宇航員制備氧氣。

火星首飛無(wú)人機(jī)，有什么黑科技？

重達(dá)一噸的毅力號(hào)火星車，史無(wú)前例的巨大和復(fù)雜，搭載了近十種科學(xué)儀器和探測(cè)設(shè)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(yán)酷的環(huán)境條件（平均-63℃），火星車的移動(dòng)速度十分緩慢。

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

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

于是，NASA的研究人員就想了一個(gè)辦法來(lái)擴(kuò)展火星車的視野——無(wú)人機(jī)。

即將進(jìn)行史上首次火星飛行的無(wú)人機(jī)機(jī)智號(hào) （Ingenuity），藏在火星車腹艙內(nèi)一起登陸。

第一次登陸火星的機(jī)智號(hào)并沒(méi)有承擔(dān)任何具體的科研任務(wù)。

它的主要使命，就是驗(yàn)證無(wú)人機(jī)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(wù)的無(wú)人機(jī)迭代經(jīng)驗(yàn)。

那么，人類首架火星無(wú)人機(jī)，要克服哪些地球上沒(méi)有的困難，又有哪些黑科技和看點(diǎn)？

只有1%大氣壓也能飛

給火星車配一個(gè)無(wú)人機(jī)，其實(shí)這個(gè)點(diǎn)子不難想到，真正的難點(diǎn)在于：怎么讓它飛起來(lái)？

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

這相當(dāng)于在地球上3萬(wàn)米以上的高空起飛，而目前的高原型無(wú)人機(jī)，也不過(guò)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(guò)音速，就會(huì)引發(fā)強(qiáng)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(gè)設(shè)備不能過(guò)重。

最終的方案是無(wú)人機(jī)全重1.8公斤，高0.5米。采用頂部安裝兩對(duì)碳纖維螺旋槳來(lái)提供動(dòng)力，直徑1.2米，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘2400轉(zhuǎn)，功率350瓦。

測(cè)試階段，NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備了一個(gè)名叫“空間模擬器”的巨大房間，可以模擬無(wú)人機(jī)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(jī)智號(hào)實(shí)現(xiàn)了在-90℃的模擬火星環(huán)境下正常工作，水平移動(dòng)的速度為10米每秒，爬升速度為3米每秒。

實(shí)現(xiàn)基本功能后，無(wú)人機(jī)還有一個(gè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)指令列表，預(yù)裝在毅力號(hào)上，由火星車對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信指揮。

所以，機(jī)智號(hào)不能離火星車太遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)的4次飛行測(cè)試，范圍都不超過(guò)50米，時(shí)間也在90秒之內(nèi)。

飛行中，無(wú)人機(jī)會(huì)捕捉圖像，而毅力號(hào)也有可能拍下一些機(jī)智號(hào)盤旋在空中的圖像。

首架火星無(wú)人機(jī)，7年前手機(jī)同款芯片

你沒(méi)看錯(cuò)，火星無(wú)人機(jī)上用的處理器，就是小米和其他很多普通民用手機(jī)的同款。

而且，還是7年前的旗艦手機(jī)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(wú)人機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理要求更高，包括飛行時(shí)的姿態(tài)控制、圖像處理等等任務(wù)，而火星車上搭載的成熟產(chǎn)品不能滿足要求。

一般來(lái)說(shuō)，為了保證航天任務(wù)的成功率，傳統(tǒng)航天器使用的設(shè)備，都偏重成熟穩(wěn)定型號(hào)。

比如好奇號(hào)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(jī)智號(hào)本身是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性質(zhì)，NASA反倒愿意承擔(dān)一些風(fēng)險(xiǎn)，特別允許項(xiàng)目組在市場(chǎng)上采購(gòu)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(biāo)達(dá)標(biāo)之外，算力更是比毅力號(hào)火星車上的處理器高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

除了處理器，機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航設(shè)備，包括慣性測(cè)量單元IMU、激光測(cè)距儀等等設(shè)備，都是通過(guò)電商平臺(tái)SparkFun購(gòu)買的，而且它們都是普通的手機(jī)級(jí)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(huì)見分曉。

首個(gè)火星無(wú)人機(jī)代碼，開源！

NASA“一聲炮響”，給火星送來(lái)了Linux系統(tǒng)「手動(dòng)狗頭」。

沒(méi)錯(cuò)，成功著陸的毅力號(hào)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(cè)器，使用的是VxWorks商業(yè)操作系統(tǒng)。

使用Linux系統(tǒng)的設(shè)備，正是即將進(jìn)行史上首次火星飛行的無(wú)人機(jī)機(jī)智號(hào) （Ingenuity）。

而且，NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為火星無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)“同款”代碼，并用在自己的飛行器上。

隨著美國(guó)“毅力號(hào)”著陸、并開始進(jìn)行一系列任務(wù)的同時(shí)，我國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”，也已經(jīng)在進(jìn)行著陸的準(zhǔn)備。

天問(wèn)一號(hào)怎么樣了？

目前，天問(wèn)一號(hào)已經(jīng)于2月10號(hào)入軌，并計(jì)劃于5月左右，實(shí)施火星車登陸任務(wù)。

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

就是說(shuō)，反推火箭會(huì)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(xiàng)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(méi)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(wèn)一號(hào)攜帶的火星車，采用太陽(yáng)能供電，設(shè)計(jì)壽命90天。

如果最終這輛火星車成功著陸并運(yùn)行，將成為人類史上首個(gè)一次性完成“繞、落、巡”的火星探測(cè)器。

期待它在5月份的表現(xiàn)。

NASA火星無(wú)人機(jī)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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