NASA機(jī)智號(hào)火星無人直升機(jī)成功首飛，創(chuàng)造人類航天又一里程碑

機(jī)智號(hào)（Ingenuity）是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）研制的一架火星無人直升機(jī)，于2021年2月18日搭乘毅力號(hào)（Perseverance）火星車登陸火星。4月4日，機(jī)智號(hào)順利從毅力號(hào)腹部釋放到火星表面，然后獨(dú)自經(jīng)歷了火星夜晚-90℃的嚴(yán)寒考驗(yàn)。4月19日，機(jī)智號(hào)無人直升機(jī)成功完成了在火星上的首次飛行，并成功降落在火星萊特兄弟機(jī)場(chǎng)。這是人造航空器首次在另一個(gè)行星上受控飛行，其主要用途不是進(jìn)行科學(xué)考察，主要用于驗(yàn)證在火星大氣層中飛行所需的技術(shù)，為研發(fā)機(jī)器人或人類探索火星時(shí)攜帶的先進(jìn)飛行器打下基礎(chǔ)。機(jī)智號(hào)成功在火星上首飛，距離萊特兄弟在地球上首次試飛人造飛行器僅過去了118年！

這項(xiàng)試飛工作原本打算在30天后結(jié)束，其間擬最多做5次飛行。但因機(jī)智號(hào)表現(xiàn)良好，且“身體狀況”仍然很不錯(cuò)，NASA做出了延長(zhǎng)其任務(wù)的決定，即讓機(jī)智號(hào)以不會(huì)減慢毅力號(hào)科學(xué)工作節(jié)奏的方式來飛行，未來還將做兩次飛行。

1 機(jī)智號(hào)簡(jiǎn)介

機(jī)智號(hào)是一種小型雙螺旋直升機(jī)，質(zhì)量約1.8kg，有4片旋翼，由太陽能電池板為鋰電池充電。底部安裝有兩個(gè)攝像頭，一彩色，一黑白，可以拍攝火星車難以到達(dá)的火星表面，并與火星車相互記錄對(duì)方的活動(dòng)。

火星的表面引力約為地球的1/3，氣壓只有地球氣壓的1%，空氣非常稀薄。為了能在稀薄的火星大氣層中飛行，機(jī)智號(hào)直升機(jī)旋翼旋轉(zhuǎn)角速度達(dá)到了2400r/min，這個(gè)速度是地球上客運(yùn)直升機(jī)的8倍左右。其水平移動(dòng)的速度為10m/s，爬升速度為3m/s。

這架小直升機(jī)靠頂部的太陽電池板進(jìn)行充電，電能儲(chǔ)存在鋰離子電池中，充電一天，大概能夠飛行90s，飛行距離最長(zhǎng)300m，飛行高度最高5m。

“火星2020”（Mars 2020）任務(wù)為機(jī)智號(hào)試驗(yàn)工作預(yù)留了30個(gè)火星日（相當(dāng)于地球31天）的時(shí)間。測(cè)試機(jī)智號(hào)的主要目的是證實(shí)在火星上飛行是否可行，因此沒有特別攜帶的科研儀器，只用攜帶的相機(jī)拍攝的照片來協(xié)助科學(xué)家規(guī)避毅力號(hào)前方的障礙物。機(jī)智號(hào)的飛行開啟了火星探測(cè)的新篇章，讓未來“直升機(jī)型”的火星探測(cè)器成為選項(xiàng)之一，打破目前火星探測(cè)車在行走距離上的限制。

火星上的機(jī)智號(hào)無人直升機(jī)（來源：NASA/JPL）

傳回地面的機(jī)智號(hào)首飛圖片（來源：NASA/JPL）

2 飛行任務(wù)

機(jī)智號(hào)首飛多次被推遲

機(jī)智號(hào)原計(jì)劃于4月11日在火星上進(jìn)行首飛，毅力號(hào)上的幾個(gè)鏡頭都準(zhǔn)備好迎接這歷史性時(shí)刻。然而，在測(cè)試中卻發(fā)現(xiàn)機(jī)智號(hào)的旋翼系統(tǒng)存在問題，因而推遲到4月14日。而4月14日，機(jī)智號(hào)的計(jì)算機(jī)軟件又出現(xiàn)故障，NASA又為其重新安裝了飛行控制軟件，首飛時(shí)間推遲到4月19日。

首飛，人類航天又一突破

4月19日，機(jī)智號(hào)在火星上成功完成了首次飛行，這是人造航空器首次在另一個(gè)行星上受控動(dòng)力飛行。從火星傳回地球的數(shù)據(jù)顯示，機(jī)智號(hào)完成了持續(xù)約40s的火星首飛，在垂直上升3m后，執(zhí)行了懸停、下降和著陸等所有設(shè)定動(dòng)作。機(jī)智號(hào)首飛目的是為了證明在火星稀薄的大氣中動(dòng)力飛行的可行性。

機(jī)智號(hào)首飛成功完成了幾個(gè)人類探索太空的里程碑：首先，人類首次火星無人機(jī)飛行并安全著陸火星表面；其次，能夠在火星寒冷的夜晚實(shí)現(xiàn)溫度的自主調(diào)整，并自行利用頭上的太陽能電池板充電；第三，通過火星車上的直升機(jī)基地與直升機(jī)自動(dòng)完成信息的相互傳輸。

毅力號(hào)火星車拍下的機(jī)智號(hào)，背景是火星凹凸不平的土黃色砂石表面（來源：NASA/JPL）

第二次飛行，多方面表現(xiàn)全面提升

4月22日，機(jī)智號(hào)成功完成火星上第二次飛行，在飛行高度、時(shí)長(zhǎng)和難度等多方面表現(xiàn)均超過第一次。

05:33，機(jī)智號(hào)自動(dòng)從火星表面起飛，上升過程中還激起了一陣塵土。它首先飛到4.9m的高度，然后機(jī)身傾斜5°，并向一側(cè)移動(dòng)了2.1m，盤旋，轉(zhuǎn)向，將其攜帶的彩色相機(jī)指向不同方向，最后回到出發(fā)點(diǎn)下降，并安全著陸。此次飛行共持續(xù)了59.1s。地球任務(wù)控制中心大約4h后開始接收到相關(guān)數(shù)據(jù)。

與首飛僅拍攝黑白圖像不同，機(jī)智號(hào)第二次飛行還拍攝了彩色“照片”，但傳回地球的首批“照片”仍為黑白，顯示它懸停在空中時(shí)落在火星表面的影子里。

第三次飛行，飛得更快更遠(yuǎn)

4月25日，機(jī)智號(hào)進(jìn)行了第三次試飛，其飛行速度和距離較之前有了明顯的提升。機(jī)智號(hào)從基地往北飛了50m，飛行高度維持在5m，速度最高達(dá)到2m/s，整個(gè)測(cè)試往返的航程為100m，在空中停留的時(shí)間差不多是80s。相比前兩次試飛，機(jī)智號(hào)第三次飛行的表現(xiàn)顯然又大膽了許多。

不過按照NASA計(jì)劃負(fù)責(zé)人的說法，機(jī)智號(hào)剩下的兩次飛行才是“真正的冒險(xiǎn)”，NASA將會(huì)探索這架直升機(jī)的極限。之后，NASA會(huì)將重心放到毅力號(hào)的主要任務(wù)上。此次飛行，機(jī)智號(hào)已經(jīng)證明在火星大氣密度極低的環(huán)境中飛行的可行性，這對(duì)未來的火星探測(cè)任務(wù)有重要意義。

第四次飛行，將過渡到任務(wù)新階段

4月30日，機(jī)智號(hào)成功完成了第四次飛行，飛行距離再創(chuàng)紀(jì)錄。

10:49，機(jī)智號(hào)成功起飛，爬升到了約5m的高度，然后向南飛行了大約133m，接著返回，來回總計(jì)飛行了約266m，一共持續(xù)了117s，再次創(chuàng)下紀(jì)錄。

NASA原計(jì)劃在4月29日讓機(jī)智號(hào)啟動(dòng)第四次飛行，但是一個(gè)無損害性的軟件故障導(dǎo)致機(jī)智號(hào)無法從“飛行前模式”切換到“飛行模式”。NASA工程師預(yù)計(jì)，在飛行嘗試時(shí)，有15%的機(jī)率會(huì)出現(xiàn)這一問題。

另外，NASA同時(shí)宣布機(jī)智號(hào)被賦予了一項(xiàng)新任務(wù)。在證明能夠在火星上進(jìn)行動(dòng)力控制飛行后，機(jī)智號(hào)很快將進(jìn)入一個(gè)新的運(yùn)行驗(yàn)證階段，探索空中偵查和其他功能如何在未來的火星和其他星球探索受益。

第五次飛行，轉(zhuǎn)戰(zhàn)新機(jī)場(chǎng)

5月7日，機(jī)智號(hào)正在探測(cè)那顆紅色星球上的一座新機(jī)場(chǎng)，并完成了其第五次火星飛行。直升機(jī)從杰澤羅環(huán)形山底部起飛，爬升到了5m高度，并向南飛了129m，路線與第4次飛行相同。

但與前4次飛行不同的是，本次飛行是一次單程旅行。在到達(dá)目的地上空后，機(jī)智號(hào)又爬升到了10m高度，并拍攝了一些照片，然后降落到了一個(gè)新位置，從而結(jié)束了這次歷時(shí)108s的飛行，同時(shí)開啟了一段新的探索征程。本次飛行10m的高度是其此前達(dá)到過的最大飛行高度的2倍。

本次飛行讓機(jī)智號(hào)轉(zhuǎn)入了一個(gè)新的階段。在這一階段，機(jī)智號(hào)將展現(xiàn)旋翼機(jī)為火星車充當(dāng)偵察兵的能力。新機(jī)場(chǎng)位于毅力號(hào)原先規(guī)劃好的行動(dòng)路線上，所以機(jī)智號(hào)在飛行中拍攝的照片可能會(huì)有助于毅力號(hào)團(tuán)隊(duì)選取最高效的路徑，甚至?xí)兄诖_定有探測(cè)意義的巖石目標(biāo)。

機(jī)智號(hào)第四次飛行（來源：NASA/JPL）

3 結(jié)語

機(jī)智號(hào)的首飛意義不亞于萊特兄弟首次在地球上試飛人造飛行器，將為人類探索宇宙帶來新的“利器”，它為人類未來的深空探測(cè)任務(wù)打開了一扇大門?，F(xiàn)在各國(guó)的探測(cè)器著陸之后，都是采用的探測(cè)車進(jìn)行探測(cè)，十分緩慢，如果采用無人機(jī)，效率將會(huì)成倍提高。人類一旦完全掌握在空氣稀薄的環(huán)境下依托飛行的方式進(jìn)行科學(xué)考察，就能適用于現(xiàn)在已知和能夠到達(dá)的絕大部分星球。