火星上的一小步，人類(lèi)的一大步。

　　當(dāng)?shù)貢r(shí)間 19 日 NASA 宣布在毅力號(hào)的「注視」下，機(jī)智號(hào)（Ingenuity）無(wú)人直升機(jī)成功完成了火星上的首次飛行，并完成 3 米高度懸停 30 秒的高難度動(dòng)作。

　　機(jī)智號(hào)團(tuán)隊(duì)表示，從火星傳回到地球的數(shù)據(jù)顯示，機(jī)智號(hào)完成了持續(xù)約 40 秒的火星首飛，在垂直上升 3 米后，執(zhí)行了懸停、下降和著陸等所有設(shè)定動(dòng)作。

　　起飛：

　　空中懸停：

　　下降和著陸：

　　整個(gè)飛行過(guò)程持續(xù)了約 40 秒，機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)創(chuàng)造了人類(lèi)在火星上的「萊特兄弟時(shí)刻」！

　　一波三折

　　機(jī)智號(hào)試飛時(shí)間為美國(guó)東部時(shí)間 19 日 3 時(shí) 34 分（北京時(shí)間 15 時(shí) 34 分），美東時(shí)間當(dāng)天 6 時(shí) 46 分（北京時(shí)間 18 時(shí) 46 分）接收到機(jī)智號(hào)通過(guò)毅力號(hào)火星車(chē)傳回地球的數(shù)據(jù)，確認(rèn)其上升至預(yù)設(shè)的 3 米飛行高度，懸停約 30 秒，隨后降落并順利在火星著陸。

　　此前，NASA 原定于 4 月 11 日擬嘗試首次動(dòng)力飛行，但在機(jī)翼高速旋轉(zhuǎn)測(cè)試中，直升機(jī)電腦從飛行前模式轉(zhuǎn)為飛行模式期間，系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題并提前終止測(cè)試。因此，首飛時(shí)間推遲至 14 日。但在 14 日的測(cè)試中，由于需要安裝其飛行控制軟件以修復(fù)此前出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)軟件故障，驗(yàn)證和安裝新飛行軟件需要時(shí)間，因此首飛時(shí)間第二次被推遲。

　　一波三折之后，機(jī)智號(hào)火星無(wú)人機(jī)終于在 4 月 19 日首飛成功。在接下來(lái)一個(gè)月的時(shí)間里，機(jī)智號(hào)還將進(jìn)行多達(dá) 4 次的飛行。第二次試飛計(jì)劃不早于 4 月 22 日進(jìn)行，挑戰(zhàn)更高的飛行高度，飛行高度上升到 5 米，飛行時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。最后兩次飛行將更加雄心勃勃，最后一次飛行可能會(huì)在團(tuán)隊(duì)規(guī)劃的平坦、安全的飛行場(chǎng)（airfield）外飛行。

　　Ingenuity 的首席飛行員 H?vard Grip 表示：「機(jī)智號(hào)獨(dú)創(chuàng)性的完成了它的首次飛行，一架動(dòng)力飛機(jī)在另一個(gè)星球上的第一次飛行！」

　　雖然今天機(jī)智號(hào)飛行時(shí)間很短，但具有重要意義，為今后火星飛機(jī)探索鋪平了道路。美國(guó)航天局官員表示，得益于機(jī)智號(hào)的開(kāi)創(chuàng)性工作，未來(lái)的 Red Planet 任務(wù)通常會(huì)包括直升機(jī)作為探測(cè)器偵察員或數(shù)據(jù)采集員。

　　機(jī)智號(hào)的導(dǎo)航相機(jī)拍到的投在火星表面的影子。

　　為了能在稀薄的火星大氣層中飛行，與在地球飛行的直升機(jī)相比，機(jī)智號(hào)火星無(wú)人機(jī)需要克服哪些困難呢？

　　機(jī)智號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速要快得多，葉片達(dá)到每分鐘 2500 轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)速。機(jī)智號(hào)其實(shí)是一臺(tái)小型的共軸雙旋翼直升機(jī)，通過(guò)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)提供升力，可以精確控制 4 個(gè)旋翼的傾角，2 個(gè)螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)力矩抵消，無(wú)需尾槳，整體結(jié)構(gòu)也更適合折疊。機(jī)智號(hào)的重量只有 1.8 千克，高 0.5 米，有 4 片旋翼，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率可達(dá)到 350 瓦，由太陽(yáng)能電池板為鋰電池充電。

　　圖源：https://zhaokaifeng.com/?p=6981

　　在火星上起飛是個(gè)大問(wèn)題，由于火星表面和地球環(huán)境相差很大，火星表面重力大約只有地球表面的 1/3。為了讓機(jī)智號(hào)能夠在火星上飛行，必須足夠堅(jiān)固，承受高轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)。為此，機(jī)智號(hào)的旋翼、支腳都使用碳纖維構(gòu)成。

　　這項(xiàng)耗費(fèi) 8500 萬(wàn)美元的飛行是一次技術(shù)演示，旨在證明在火星上能夠進(jìn)行動(dòng)力控制飛行，沒(méi)有其他額外任務(wù)。這次飛行驗(yàn)證了未來(lái)火星飛行探測(cè)器的可行性，為未來(lái)火星宇航員使用無(wú)人機(jī)打下了基礎(chǔ)。

　　下車(chē)獨(dú)立飛行

　　早在兩個(gè)月前，機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)就搭上毅力號(hào)火星車(chē)的順風(fēng)車(chē)，一同著陸火星。機(jī)智號(hào)被固定在毅力號(hào)的底部，它們一起經(jīng)受了 8 分鐘內(nèi)從秒速五公里減速到 0 的考驗(yàn)，在火星成功著陸。對(duì)毅力號(hào)來(lái)說(shuō)，在火星著陸就是最大的考驗(yàn)。而對(duì)于附著在其底面的機(jī)智號(hào)，考驗(yàn)才剛剛開(kāi)始。火星表面的溫度極低，耶澤羅隕擊坑中夜晚最低溫度是零下 90 攝氏度，許多電子元件的運(yùn)行都會(huì)受到影響。

　　毅力號(hào)擁有核電池，因此當(dāng)機(jī)智號(hào)附著在毅力號(hào)上時(shí)，可以依靠毅力號(hào)的能源保溫。

　　2021 年 4 月 3 日，機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)彩色相機(jī)拍攝的首張照片，此時(shí)機(jī)智號(hào)還在火星車(chē)底，照片中拍到了火星車(chē)兩個(gè)輪子。

　　但機(jī)智號(hào)還是要脫離毅力號(hào)完成飛行任務(wù)的。在拋掉保護(hù)罩，緩慢展開(kāi)，并將六塊鋰離子電池充滿(mǎn)之后，機(jī)智號(hào)被放置在了火星表面上。放下機(jī)智號(hào)后，毅力號(hào)盡快駛離。接下來(lái)機(jī)智號(hào)依靠著它上方的太陽(yáng)能板和內(nèi)部的電池順利撐過(guò)了火星寒冷的夜晚。

　　毅力號(hào)駛離機(jī)智號(hào)。

　　蟄伏 2 個(gè)月，歷經(jīng)數(shù)次拖延，并進(jìn)行了一場(chǎng)火星上的軟件升級(jí)，機(jī)智號(hào)終于完成了首飛任務(wù)。

　　在接下來(lái)的飛行計(jì)劃中，毅力號(hào)還將會(huì)把鏡頭對(duì)準(zhǔn)機(jī)智號(hào)，以提供更多機(jī)智號(hào)在火星上的飛行照片。此外，毅力號(hào)還將在機(jī)智號(hào)飛行過(guò)程中嘗試錄音，如果可能的話(huà)，還會(huì)拍攝視頻。

　　機(jī)智號(hào)首飛成功背后的默默「貢獻(xiàn)者」

　　Ingenuity 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止 JPL 的 6000 位成員，來(lái)自世界各地的開(kāi)源工作者都為 Ingenuity 的飛行做出了重要貢獻(xiàn)。

　　事實(shí)上，GitHub 上有近 12000 名開(kāi)發(fā)人員通過(guò)開(kāi)源為 Ingenuity 的軟件做出了貢獻(xiàn)。然而，就像第一張黑洞的圖片一樣，這些開(kāi)發(fā)者中的大多數(shù)甚至都沒(méi)有意識(shí)到他們幫助了第一架火星直升機(jī)的飛行。

　　Ingenuity 直升機(jī)在其導(dǎo)航計(jì)算機(jī)上運(yùn)行嵌入式 Linux 分布。其中許多軟件都使用了 JPL 的開(kāi)源飛行控制框架 F Prime（F?），并使用 C++ 編寫(xiě)。同時(shí)，在從地面控制到飛行建模再到數(shù)據(jù)處理，Python 生態(tài)系統(tǒng)都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

　　F Prime 框架：https://github.com/nasa/fprime

　　大約有 12000 人為 Ingenuity 用到的開(kāi)源軟件的代碼、文檔、設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)。為了表彰這些貢獻(xiàn)者，GitHub 在他們的個(gè)人資料上添加了一種新的徽章。

　　GitHub 開(kāi)發(fā)者關(guān)系高級(jí)總監(jiān) Martin Woodward 說(shuō)：「許多獲得徽章的人可能并不知道他們的軟件被用來(lái)在另一顆星球上駕駛直升機(jī)。我們希望確保每位貢獻(xiàn)者都能受到認(rèn)可?！?/p>

　　參考鏈接：

　　https://ujoy.net/topics/2989590

　　http://sh.people.com.cn/n2/2021/0420/c138654-34684352.html

　　http://www.xinhuanet.com/tech/2021-02/19/c_1127115655.htm

　　https://finance.sina.com.cn/tech/2021-04-20/doc-ikmxzfmk7831763.shtml

　　https://t.cj.sina.com.cn/articles/view/1850988623/v6e53d84f01900vlqs