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机智号

火星2020任務中的無人直升機
（重定向自小机灵）
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机智号（英语：Ingenuity），也称“小机灵”（Ginny[3][4]，是一台火星无人直升机[5][6]，是第一架“在另一个星球上进行动力控制飞行”的飞行器[7][2]。在火星2020任务中用来进行飞行技术验证，它可以提供目前轨道卫星或地面探测车和着陆器无法提供的独特视角。为探测器或人类提供高清晰度图像和侦察，并使探测车能够进入难以到达的地形[8]。

机智号
由毅力号拍摄的机智号照片
航天器属性
航天器类型无人直升机
制造方喷气推进实验室
着陆质量
  • 总质量: 1.8千克（4.0磅）
  • 电池: 273 g（9.6 oz）
尺寸
  • 机身: 14 cm（5.5英寸）
  • 螺旋桨直径: 3.9英尺（1.2米）
  • 高度: 80 cm（31英寸）
功率350 瓦特
任务开始
发射日期2020年7月30日 11:50 UTC
发射场卡纳维拉尔角空军基地41号航天发射台
火星航空器
航天器组件直升机
着陆日期2021年2月18日 20:55 UTC
着陆点18°26′41″N 77°27′03″E / 18.4447°N 77.4508°E / 18.4447; 77.4508
耶泽罗撞击坑
部署日期2021年4月3日[1]
首次飞行：2021年4月19日[2]
搭载仪表

JPL的机智号标识  
NASA的火星直升机
← (首位)
火星样本回收直升机 →

机智号在着陆后约60天从毅力号腹下分离，并于2021年4月3日部署。[9][1] 与毅力号分离后将开展为期30天的飞行测试，飞行高度距地面3至5米，飞行距离可达300米（980英尺），每次飞行不超过三分钟，最多飞行五次。[10]机智号可以在飞行中进行自主控制，每次降落后，它将直接与毅力号通信。[11] 机智号的首次试飞时间定在2021年4月19日上午3:15 EDT（7:15 UTC），网络直播则在三小时之后的6:15 EDT（10:15 UTC）进行。[12][13][14] 机智号的首飞试验获得成功，这是人类首次实现飞行器在其他星球的受控飞行[2]。

机智号将在30个火星日（约31个地球日）的窗口期内执行后续4次试飞任务。任务团队将通过独创号验证在火星大气层飞行所需要的技术，为筹备未来机器人或人类探索火星时携带的先进飞行器打下基础。这些直升机将能在未来的探测任务中担任辅助角色，例如：作为机器人侦察员，从上方勘测地形或作为独立科学飞行器来携带仪器。[15][16]至2022年4月29日，已超过执行28次任务，然而原订5月3日展开的第29次飞行，机智号首次与NASA失去联系。目前已恢复通讯并确认异常原因，但随着火星冬季即将到来前景开始变得险峻。

2024年1月25日，美国国家航空航天局（NASA）宣布，在火星的无人直升机“机智号”（Ingenuity）因为旋翼损坏，无法再执行飞行任务，光荣退役[17]。机智号共在火星执行了72次飞行任务，积累了2小时8分48秒飞行时间，并完成了超过17千米的飞行[18][19]。

命名 编辑

在面向全美国K-12年级学生开展征文及命名大赛后[20]，该设备最终在28000份提名中采用了由阿拉巴马州诺斯波特市17岁女高中生云妮莎·鲁巴尼（Vaneeza Rupani）提名的“Ingenuity”[21][22]。该名称中译有独创号、机智号、心灵手巧/聪明才智号等[23]。

设计 编辑

机智号飞行参数[24]
螺旋桨转速 最高2400 rpm
叶片尖端速度 <0.7 马赫
飞行时长 飞行一次90秒
最大飞行距离 300米（980英尺）
无线电信号最远距离 1,000米（3,300英尺）
飞行最高海拔 5米（16英尺）
飞行最大速度
  • 水平: 10 m/s（33 ft/s）
  • 垂直: 3 m/s（9.8 ft/s）
电池功率 35—40 Wh（130—140 kJ）

从2014年到2019年，喷气推进实验室的工程师们逐渐地证明有可能制造出一种重量轻、能够在火星稀薄大气中产生足够的升力，并能够在类似火星环境中生存的飞机，并在喷气推进实验室的模拟器上测试了越来越先进的型号。[15]

机智号地面部署测试

任务 编辑

机智号设计初衷是为了验证无人直升机飞行技术，用于评估是否可以在火星或其他星球表面上安全飞行，并为探测车提供线路规划，从而为任务提供更多信息。[25][26][27]

火星无人直升机的设计目的是为探测车提供清晰的地表图像，其分辨率约为轨道卫星图像的十倍。这可以让探测车没有任何监控死角。这种技术可以使探测车每次安全行驶的距离提高三倍。[28]

机智号安装在毅力号火星车的腹下，并在着陆后60至90火星日（sol（英语：sol (day on Mars)））部署到火星表面。在试飞开始前，毅力号将行驶大约100米（330英尺）拉开距离。[29][30]

 
机智号与技术团队人员的合影
机智号任务的动画演示

仪器 编辑

机智号无人直升机含有4个特殊碳纤维制成的旋翼叶片，长度达1.2米（4英尺）。此外，机智号上还装备有电脑、导航传感器以及两台照相机（一台彩色照相机，一台黑白照相机）。[31]虽然它是一架飞机，但它的构造符合航天器的规格，可以承受发射时的重力加速度和振动。其内部加热器也能让它在寒冷的夜晚保持正常的工作温度。其他一些附加输入设备包括陀螺仪，视觉里程计，倾斜传感器，高度计和危险探测器并将使用一块太阳能电池板为电池充电。[32]

机智号的外壳内部是由二氧化碳（ ）填充的隔温层。由于重量等因素，设计团队放弃了使用气凝胶作为隔热层。[33]

 
机智号结构图
-1 螺旋桨能在火星稀薄大气中飞行
-2 太阳能电池提供电池充电的能量
-3 高分辨率照相机能够拍摄离探测车较远的照片
-4 照相机和其他传感器相互关联并通过计算来实现自主控制
-5 有弹性的着陆架通过相机和高度计来实现软着陆
-6 二氧化碳气体提供良好的隔温，能使电池在火星环境正常工作
-7 直升机在UHF波段与探测车通信

导航 编辑

由于火星两极的磁场不一致，无法使用指南针进行导航，因此将通过相机跟踪估计速度，从而实现视觉导航。[31]

计算 编辑

机智号的主要计算发动机使用高通骁龙处理器，Linux操作系统，以及美国国家航空航天局开源的F'飞行软件框架。[34] [35] 在其他功能中，通过从相机跟踪的特征得出速度的估算值控制视觉导航算法，由高通处理器连接到两个飞行控制微控制器单元（MCU）上，来实现自主飞行的功能。[36]

通信 编辑

无人直升机与探测车的通信功能是通过使用低功耗的ZigBee无线电链路通信协议和安装在探测车和无人直升机中的900MHzSiFlex02芯片组来实现的。该通信系统用于在最远1000米（3300英尺）的距离上以250kbit/s的速度传输数据。[36]

电池 编辑

机智号的电池容量为35～40wh，其中1/3的电量用于飞行，其余2/3的电量用于仪器保温。若排除仪器保温时的电量消耗，理论上光伏板仅需一天就能充满电池。正是因为夜晚需要为仪器供热，机智号最佳起飞时间是当地的上午11点，否则将会出现电池电量耗尽无法提供仪器保温的风险。[33]

初步测试 编辑

2019年，在地球上模拟火星大气和重力条件下测试了机智号的初步设计。

在飞行试验中，用一个大真空室模拟出火星气压——由于火星的大气层密度仅地球大气的1%，极其稀薄，很难为直升机足够升力，在这种极低气压下起飞相当于一架直升机在地球大气层中飞行10万英尺（3万米）。为了模拟火星的重力场，用一条向上拉的线抵消了地球62％的引力。[37]

着陆 编辑

机智号无人机已于美国东部时间2021年2月18日下午3时55分随着毅力号降落在火星的耶泽罗撞击坑上。

飞行 编辑

由于火星大气非常稀薄，飞行面临很大的挑战，在降落后，机智号的首次飞行曾数次推迟。美国东部时间2021年4月19日，美国国家航空航天局在推特上发布消息，称“机智号完成了它的第一次飞行——动力飞机在另一个星球上的第一次飞行。”[2]按计划，火星车将监控直升机的飞行过程，并将拍到的图片和数据传回地球[7]。2021年4月22日，机智号成功地完成了它在火星的第二次飞行，飞行时间一共持续了51.9秒[38]。

2021年5月7日，美国宇航局公布机智号在火星上第四次飞行时的声音，这是人类首次在地外星球上录制航天器发出的声音[39]。

飞行记录 编辑

 
毅力号与机智号的行径轨迹

机智号的第1到5次飞行为技术展示阶段，第6次飞行以后为操作展示阶段[40]。而其在第10次飞行时探索了凸脊区域，第12和13次飞行时在南赛塔拍摄许多图像，为毅力号火星车团队搜集许多信息。

图片 编辑

影片 编辑

机智号的首次飞行影片
（2021年4月19日）

火星试飞 编辑

机智号的飞行试验
 
机智号飞行区域和探测车方位
 
飞行区域地图
 
探测车视角中的飞行区域
 
机智号在飞行区域中的活动
 
毅力号探测车的移动路线及机智号的飞行区域
试飞前的部署
 
机智号从毅力号探测车的腹下分离，进入部署阶段
 
机智号的旋翼解锁，做好试飞前的准备

飞行影片 编辑

机智号首飞
 
毅力号所拍下的机智号首飞影像
 
机智号的首飞行高度数据，图形中间突然升高的部分显示飞行时间段
 
机智号在完成试飞后安全着陆

机智号拍摄的照片 编辑

由机智号直升机拍摄的照片
 
在机智号部署后的第一张彩色照片（2021年4月4日）
 
机智号初次升空时的第一张黑白照片，它的投影清晰可见

自拍照 编辑

毅力号自拍照
 
毅力号探测车和机智号直升机合影
（2021年4月）

参考文献 编辑

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