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獨創號

火星2020任務中的無人直升機
除特別註明外，否則本條目所有時間皆以西五區（UTC-5）為準。

獨創號（英語：Ingenuity），也稱「小機靈」（Ginny[3][4]，是一台火星無人直升機[5][6]，是第一架「在另一個星球上進行動力控制飛行」的飛行器[7][2]。在火星2020任務中用來進行飛行技術驗證，它可以提供目前軌道衛星或地面探測車和着陸器無法提供的獨特視角。為探測器或人類提供高清晰度圖像和偵察，並使探測車能夠進入難以到達的地形[8]。

獨創號
由毅力號拍攝的獨創號照片
太空船屬性
太空船類型無人直升機
製造方噴射推進實驗室
着陸質量
  • 總質量: 1.8公斤（4.0磅）
  • 電池: 273 g（9.6 oz）
尺寸
  • 機身: 14 cm（5.5英寸）
  • 螺旋槳直徑: 3.9英尺（1.2公尺）
  • 高度: 80 cm（31英寸）
功率350 瓦特
任務開始
發射日期2020年7月30日 11:50 UTC
發射場卡納維拉爾角空軍基地41號航天發射台
火星航空器
太空船組件直升機
着陸日期2021年2月18日 20:55 UTC
着陸點18°26′41″N 77°27′03″E / 18.4447°N 77.4508°E / 18.4447; 77.4508
耶澤羅撞擊坑
部署日期2021年4月3日[1]
首次飛行：2021年4月19日[2]
搭載儀器

JPL的獨創號標識  
NASA的火星直升機
← (首位)
火星樣本回收直升機 →

獨創號在着陸後約60天從毅力號腹下分離，並於2021年4月3日部署。[9][1] 與毅力號分離後將開展為期30天的飛行測試，飛行高度距地面3至5公尺，飛行距離可達300公尺（980英尺），每次飛行不超過三分鐘，最多飛行五次。[10]獨創號可以在飛行中進行自主控制，每次降落後，它將直接與毅力號通信。[11] 獨創號的首次試飛時間定在2021年4月19日上午3:15 EDT（7:15 UTC），網絡直播則在三小時之後的6:15 EDT（10:15 UTC）進行。[12][13][14] 獨創號的首飛試驗獲得成功，這是人類首次實現飛行器在其他星球的受控飛行[2]。

獨創號將在30個火星日（約31個地球日）的窗口期內執行後續4次試飛任務。任務團隊將通過獨創號驗證在火星大氣層飛行所需要的技術，為籌備未來機械人或人類探索火星時攜帶的先進飛行器打下基礎。這些直升機將能在未來的探測任務中擔任輔助角色，例如：作為機械人偵察員，從上方勘測地形或作為獨立科學飛行器來攜帶儀器。[15][16]至2022年4月29日，已超過執行28次任務，然而原訂5月3日展開的第29次飛行，獨創號首次與NASA失去聯繫。目前已恢復通訊並確認異常原因，但隨着火星冬季即將到來前景開始變得險峻。

2024年1月25日，美國太空總署（NASA）宣佈，在火星的無人直升機「獨創號」（Ingenuity）因為旋翼損壞，無法再執行飛行任務，光榮退役[17]。獨創號共在火星執行了72次飛行任務，積累了2小時8分48秒飛行時間，並完成了超過17千公尺的飛行[18][19]。

命名

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在面向全美國K-12年級學生開展徵文及命名大賽後[20]，該設備最終在28000份提名中採用了由阿拉巴馬州諾斯波特市17歲女高中生雲妮莎·魯巴尼（Vaneeza Rupani）提名的「Ingenuity」[21][22]。該名稱中譯有獨創號、機智號、心靈手巧/聰明才智號等[23]。

設計

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獨創號飛行參數[24]
螺旋槳轉速 最高2400 rpm
葉片尖端速度 <0.7 馬赫
飛行時長 飛行一次90秒
最大飛行距離 300公尺（980英尺）
無線電信號最遠距離 1,000公尺（3,300英尺）
飛行最高海拔 5公尺（16英尺）
飛行最大速度
  • 水平: 10 m/s（33 ft/s）
  • 垂直: 3 m/s（9.8 ft/s）
電池功率 35—40 Wh（130—140 kJ）

從2014年到2019年，噴射推進實驗室的工程師們逐漸地證明有可能製造出一種重量輕、能夠在火星稀薄大氣中產生足夠的升力，並能夠在類似火星環境中生存的飛機，並在噴射推進實驗室的模擬器上測試了越來越先進的型號。[15]

獨創號地面部署測試

任務

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獨創號設計初衷是為了驗證無人直升機飛行技術，用於評估是否可以在火星或其他星球表面上安全飛行，並為探測車提供線路規劃，從而為任務提供更多資訊。[25][26][27]

火星無人直升機的設計目的是為探測車提供清晰的地表圖像，其解像度約為軌道衛星圖像的十倍。這可以讓探測車沒有任何監控死角。這種技術可以使探測車每次安全行駛的距離提高三倍。[28]

獨創號安裝在毅力號火星車的腹下，並在着陸後60至90火星日（sol（英語：sol (day on Mars)））部署到火星表面。在試飛開始前，毅力號將行駛大約100公尺（330英尺）拉開距離。[29][30]

 
獨創號與技術團隊人員的合影
獨創號任務的動畫演示

儀器

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獨創號無人直升機含有4個特殊碳纖維製成的旋翼葉片，長度達1.2公尺（4英呎）。此外，獨創號上還裝備有電腦、導航傳感器以及兩台照相機（一台彩色照相機，一台黑白照相機）。[31]雖然它是一架飛機，但它的構造符合太空船的規格，可以承受發射時的重力加速度和振動。其內部加熱器也能讓它在寒冷的夜晚保持正常的工作溫度。其他一些附加輸入設備包括陀螺儀，視覺里程計，傾斜傳感器，高度計和危險探測器並將使用一塊太陽能電池板為電池充電。[32]

獨創號的外殼內部是由二氧化碳（ ）填充的隔溫層。由於重量等因素，設計團隊放棄了使用氣凝膠作為隔熱層。[33]

 
獨創號結構圖
-1 螺旋槳能在火星稀薄大氣中飛行
-2 太陽能電池提供電池充電的能量
-3 高解像度照相機能夠拍攝離探測車較遠的照片
-4 照相機和其他傳感器相互關聯並通過計算來實現自主控制
-5 有彈性的着陸架通過相機和高度計來實現軟着陸
-6 二氧化碳氣體提供良好的隔溫，能使電池在火星環境正常工作
-7 直升機在UHF波段與探測車通信

導航

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由於火星兩極的磁場不一致，無法使用指南針進行導航，因此將通過相機跟蹤估計速度，從而實現視覺導航。[31]

計算

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獨創號的主要計算引擎使用高通驍龍處理器，Linux作業系統，以及美國太空總署開源的F'飛行軟件框架。[34] [35] 在其他功能中，通過從相機跟蹤的特徵得出速度的估算值控制視覺導航算法，由高通處理器連接到兩個飛行控制微控制器單元（MCU）上，來實現自主飛行的功能。[36]

通信

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無人直升機與探測車的通信功能是通過使用低功耗的ZigBee無線電鏈路通信協議和安裝在探測車和無人直升機中的900MHzSiFlex02晶片組來實現的。該通信系統用於在最遠1000公尺（3300英尺）的距離上以250kbit/s的速度傳輸數據。[36]

電池

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獨創號的電池容量為35～40wh，其中1/3的電量用於飛行，其餘2/3的電量用於儀器保溫。若排除儀器保溫時的電量消耗，理論上光伏板僅需一天就能充滿電池。正是因為夜晚需要為儀器供熱，獨創號最佳起飛時間是當地的上午11點，否則將會出現電池電量耗盡無法提供儀器保溫的風險。[33]

初步測試

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2019年，在地球上模擬火星大氣和重力條件下測試了獨創號的初步設計。

在飛行試驗中，用一個大真空室模擬出火星氣壓——由於火星的大氣層密度僅地球大氣的1%，極其稀薄，很難為直升機足夠升力，在這種極低氣壓下起飛相當於一架直升機在地球大氣層中飛行10萬英尺（3萬公尺）。為了模擬火星的重力場，用一條向上拉的線抵消了地球62％的引力。[37]

着陸

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獨創號無人機已於美國東部時間2021年2月18日下午3時55分隨着毅力號降落在火星的耶澤羅撞擊坑上。

飛行

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由於火星大氣非常稀薄，飛行面臨很大的挑戰，在降落後，獨創號的首次飛行曾數次推遲。美國東部時間2021年4月19日，美國太空總署在推特上發佈消息，稱「獨創號完成了它的第一次飛行——動力飛機在另一個星球上的第一次飛行。」[2]按計劃，火星車將監控直升機的飛行過程，並將拍到的圖片和數據傳回地球[7]。2021年4月22日，獨創號成功地完成了它在火星的第二次飛行，飛行時間一共持續了51.9秒[38]。

2021年5月7日，美國宇航局公佈獨創號在火星上第四次飛行時的聲音，這是人類首次在地外星球上錄製太空船發出的聲音[39]。

飛行記錄

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毅力號與獨創號的行徑軌跡

獨創號的第1到5次飛行為技術展示階段，第6次飛行以後為操作展示階段[40]。而其在第10次飛行時探索了凸脊區域，第12和13次飛行時在南賽塔拍攝許多圖像，為毅力號火星車團隊蒐集許多資訊。

圖片

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影片

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獨創號的首次飛行影片
（2021年4月19日）

火星試飛

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獨創號的飛行試驗
 
獨創號飛行區域和探測車方位
 
飛行區域地圖
 
探測車視角中的飛行區域
 
獨創號在飛行區域中的活動
 
毅力號探測車的移動路線及獨創號的飛行區域
試飛前的部署
 
獨創號從毅力號探測車的腹下分離，進入部署階段
 
獨創號的旋翼解鎖，做好試飛前的準備

飛行影片

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獨創號首飛
 
毅力號所拍下的獨創號首飛影像
 
獨創號的首飛行高度數據，圖形中間突然升高的部分顯示飛行時間段
 
獨創號在完成試飛後安全着陸

獨創號拍攝的照片

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由獨創號直升機拍攝的照片
 
在獨創號部署後的第一張彩色照片（2021年4月4日）
 
獨創號初次升空時的第一張黑白照片，它的投影清晰可見

自拍照

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毅力號自拍照
 
毅力號探測車和獨創號直升機合影
（2021年4月）

參考文獻

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另見

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外部連結

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