美国人又领先了！『机智号』直升机正在火星上创造历史

地球人在火星上放了个竹蜻蜓，然后，它真的飞起来了。

去年的7月30日，美国“毅力”号火星车离开地球，在经历近7个月的时间后，于北京时间2021年2月19日在火星以壮观的“空中起重机”方式安全着陆。跟随毅力号火星车一起登陆火星的，还有一个名叫机智号的『火星直升机』。

北京时间4月19日15时30分，机智号首飞成功，并完成3米悬停30秒的高难度动作！这是人类飞行器首次地外动力受控飞行。

此前，我们曾专门写文章介绍过这个小家伙。

机智号相当于一个垒球大小，重量只有 1.8 千克。它高 0.5 米，有 4 片旋翼，驱动电机的峰值功率可达到 350 瓦，拥有六块锂离子电池，由太阳能供电。

它的旋翼转速高达 2500r/min以上，通过控制 4 个旋翼的倾角改变方向，2 个螺旋桨反向旋转力矩抵消，无需尾桨。

机智号就像第一个火星漫游者『索杰纳』号一样，是一种新技术的示范，可以在以后的任务中更广泛地使用。它的意义不亚于人类重新发明了一遍飞机。

机智号飞越火星

• 15时30分，机智号尝试首次受控动力飞行，飞行高度为10英尺(约合3米)，首飞数据信息在18时15分后传回地球。
• 18时40分左右，NASA接收到第一组来自“机智”号的首飞数据，并进入了处理分析工作。
• 18时50分许，NASA成功获取“机智”号首飞画面，显示“机智”号在火星试飞成功。

机智号第二次飞行时，完成了拍照任务。拍摄时，机智号距离火星表面17英尺（5.2米），俯仰角度移动，以便直升机能够开始向西平移7英尺（2米）。这张照片显示了毅力号和火星表面特征的部分轨迹的特写镜头。毅力号虽然没有出镜，但离得很近。照片还提供了航拍视角清晰的火星地形图。

“机智号”在创造历史后，一次比一次飞得更高、更远。如今，机智号已经完成了6次火星飞行。

在第5次飞行中，“机智号”过渡到了新的操作验证阶段。新阶段将专注于研究在火星上运行的旋翼飞机能够提供何种能力，例如侦察、空中观测火星车无法到达的地区，从大气层高度制作详细的立体成像。

当然，机智号的试飞也不是一帆风顺的。

例如第四次飞行，机智号未能起飞，它旋翼桨叶根本没有让它飞起来。据信，这次失败的原因是软件问题。就像它火星首飞前的高转速测试一样，由于飞行计算机无法从“飞行前”模式切换到“飞行”模式，导致测试失败，以至于工程师们不得不给它来了一次火星上的软件升级。

在第六次飞行中，机智号顺利起飞，但到了末段，它开始调整速度，并以振荡的方式前后倾斜，一直到降落，所幸的是，事故没有造成机身的损坏。机载传感器显示旋翼机遇到了超过20度的横滚和俯仰偏移、较大的控制输入和峰值功耗。

机智号的导航系统依赖于IMU和导航相机。在空中飞行的大部分时间里，向下看的导航摄像机每秒拍摄30张照片，并将它们输入导航系统。导航系统检查与图像一起接收的时间戳，以确定图像是何时拍摄的。然后，该算法根据之前拍摄的图像(通常是由于颜色变化和岩石、沙波等突出物)识别出的表面特征，预测相机在那个特定时间点应该看到的东西。最后，该算法查看这些特征在图像中实际出现的位置。导航算法利用这些特征的预测位置和实际位置之间的差异来修正其对位置、速度和姿态的估计。

而第六次飞行出现故障的原因是，在机智号飞行大约54秒后，导航摄像机传送图像的管道出现了故障，导致一张图像丢失，因此后来所有的导航图像都带有不准确的时间戳。从这一点开始，每次导航算法基于导航图像进行校正时，都是基于错误信息进行操作。

尽管遇到了这种异常情况，机智号仍然能够在距离着陆地点约5米的地面上安全着陆。它能够做到这一点的一个原因是直升机的飞行控制系统有足够的“稳定裕度”：机智号能够容忍重大错误而不会变得不稳定，包括计时错误。

另一项设计也在帮助机智号安全着陆方面发挥了作用。通过停止在降落最后阶段使用导航摄像机图像，以确保在这个关键阶段平稳和连续地估计直升机的运动。这个设计在第六次飞行中也得到了回报：机智号在飞行的最后时刻忽视了摄像机的图像，停止了摆动，调整了姿态，并以设计的速度着陆。

经过此次飞行，NASA现在已经有了飞行数据来探测直升机的性能极限。这些数据将在未来被仔细分析，扩大关于在火星上飞行直升机的知识储备。

在火星上起飞困难重重

火星上没有多少空气来推动产生升力，火星表面的大气密度只有地球的1/100，重力只有地球的三分之一。从火星表面起飞相当于在地球上10万英尺的高度飞行。地面直升机从来没有飞过这么高的高度，这个高度是喷气式飞机飞行高度的两倍多。

早在上世纪90年代，直升机的总工程师鲍勃•巴拉拉姆就开始与一些同事一起研究这个想法。2014年成为此项目项目经理的昂称，20年前，这个项目从数学的角度来说是不可能的，但电子器件的小型化、能储存更多能量的电池以及可制成轻型叶片的材料等一系列技术进步，终于让火星飞行机器的梦想成为了一种技术上的可能。

将这种可能性变成一架可工作的直升机需要数年的反复试验。到2014年底，工程师们已经建造了一个小型原型机。这架小型直升机被放置在一个大部分空气被吸出的房间里（模拟火星大气的密度）。因为他们还没有编写让直升机自己飞行的软件，团队中的一名成员试图用操纵杆来引导它运动，就像业余爱好者驾驶无人机一样。随着叶片旋转，直升机上升，它立刻就失去了控制。它可以升降，但却无法控制。

领导空气动力学和实现可控飞行的工程师哈瓦德·格里普说：“它做了我们当时必须要做的事情，也就是说，我们可以实际起飞。因此，这样做是成功的。但也很明显，在理解这件事的行为方式方面还有很多工作要做。”

巴拉姆博士和格里普博士说，其中一个问题是叶片在以每分钟2000到3000转的速度旋转时上下跳动。在地球上，推动叶片的空气压力使弹跳最小化。但在稀薄的火星大气中，弹跳产生了不稳定性，使直升机的运动难以控制。

解决方案是使叶片稍微变硬，但这增加了一些重量。

“当你举起这些刀片中的一个时，你会感到非常震惊，如果你把它握在手里，你会认为你要举起一些实质性的东西，它像空气一样轻，同时又非常坚硬。” 这项工程涉及到一系列的折衷方案，以适应尺寸、重量和电池功率的限制。

同时，格里普博士率先开发了计算机算法，该算法能够足够快速地控制和调整直升机的飞行，从而自动响应火星上不断变化的大气条件。

2016年5月，下一个原型准备就绪，在同一个模拟透明火星大气的舱室里，直升机上升，然后平稳地盘旋，轻轻降落。这是第一次，一架直升机原型在模拟火星大气层的条件下飞行，尽管它仍然与外部电源和计算机相连。

完整的设计已经在2018年1月准备就绪，它携带电池和高通Snapdragon处理器，这颗处理器就像在手机里一样，拥有通信系统和传感器。为了模拟火星较弱的引力，一个滑轮向上拉以抵消地球的部分引力。房间里的空气密度再次被抽降，但这一次，二氧化碳代替了地球上的空气（火星空气的主要成分），直升飞机成功起飞。

昂女士说，这项技术可以应用到更大的飞船上，最大可达30磅。它可能足够大，可以携带几磅重的照相机和其他仪器。

美国宇航局已经计划向土星最大的卫星土卫六发射一艘核动力旋翼飞行器“蜻蜓”。但是土卫六的大气层很厚，所以在那里飞行不会像在火星上那样带来技术上的挑战。

当然，火星直升机们几乎肯定不会成为宇航员在火星上可行的运输方式。

因为，那里没有足够的大气。