机智号

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机智号
PIA23882-MarsHelicopterIngenuity-20200429 (trsp).png
机智号
航天器属性
航天器类型無人直升機
制造方喷气推进实验室
著陸質量
  • 总质量: 1.8公斤（4.0英磅）
  • 电池: 273克（9.6盎司）
尺寸
  • 机身: 14-厘米（5.5-英寸）
  • 螺旋桨直径: 3.9-英尺（1.2-米）
  • 高度: 80厘米（31英寸）
功率350 瓦特
任務開始
發射日期2020年7月30日
搭載儀器
Mars Helicopter JPL insignia.svg
JPL的机智号标识  
火星着陆
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毅力号拍下的第一张火星照片 － 2021年2月18日
着陆成功
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机智号（英語：Ingenuity，也称“小机灵”[1][2]）是一台火星无人直升机。[3][4]计划在火星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。[5]

机智号将在着陆后60-90天从毅力号腹下分离。[6] 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。[7]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。这将是人类首次实现飞行器在其他星球的受控飞行。[8]

如果机智号首飞成功，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“机智”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。[9][10]

命名

在面向全美国K-12年級學生开展徵文及命名大賽后[11]，该设备最终在28000份提名中采用了由阿拉巴馬州諾斯波特市十七歲女高中生雲妮莎·魯巴尼（Vaneeza Rupani）提名的“Ingenuity”[12][13]。该名称中译有獨創号、机智号、心灵手巧/聪明才智号等[14]。

设计

机智号飞行参数[15]
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米每秒（33英尺每秒）
  • 垂直: 3米每秒（9.8英尺每秒）
电池功率 35～40瓦特·小時（130～140千焦耳）

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。[9]

机智号地面部署测试

任务

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。[16][17][18]

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。[19]

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。[20][21]

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

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（3.9英寸）。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）。[22]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。[23]

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。[24]

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

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。[25]

计算

机智号的主要计算引擎使用高通骁龙处理器，Linux操作系统，以及美國國家航空航天局開源的F'飛行軟體框架。[26] [27] 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。[28]

通信

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。[28]

电池

机智号的电池功率为35～40瓦特·小时，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。[24]

初步测试

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。[29]

着陆

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。

参考文献

  1. ^ NASA“毅力”号核动力火星车发射成功，还携带了一架直升机！_科技_腾讯网. tech.qq.com. [2020-08-11]. 
  2. ^ sina_mobile. NASA“毅力”号核动力火星车发射升空，还带了一架直升机. tech.sina.cn. 2020-07-30 [2020-08-11]. 
  3. ^ Hautaluoma, Grey; Johnson, Alana; Agle, D.C. Alabama High School Student Names NASA's Mars Helicopter. NASA. 2020-04-29 [2020-04-29]. （原始内容存档于2020-04-30）.   该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  4. ^ Mars Helicopter Scout. video presentation at Caltech  该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  5. ^ Leone, Dan. Elachi Touts Helicopter Scout for Mars Sample-Caching Rover. 2015-11-19 [2015-11-20]. 
  6. ^ Agle, DC; Hautaluoma, Gray; Johnson, Alana. How NASA's Mars Helicopter Will Reach the Red Planet's Surface. NASA. 2020-06-23 [2020-06-23].   该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  7. ^ Mars Helicopter Technology Demonstrator 互联网档案馆的存檔，存档日期2019-04-01.. (PDF) J. (Bob) Balaram, Timothy Canham, Courtney Duncan, Matt Golombek, Håvard Fjær Grip, Wayne Johnson, Justin Maki, Amelia Quon, Ryan Stern, and David Zhu. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), SciTech Forum Conference; January 8–12, 2018, Kissimmee, Florida. doi:10.2514/6.2018-0023  该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  8. ^ First Flight on Another Planet! - YouTube. www.youtube.com. [2020-08-05]. 
  9. ^ 9.0 9.1 NASA“毅力”号发射升空！_《环球科学》（“科学美国人”中文版）【唯一官方网站】. huanqiukexue.com. [2020-08-06]. 
  10. ^ 科普：美国“毅力”号火星车有何独特之处-新华网. www.xinhuanet.com. [2020-08-06]. 
  11. ^ 印度裔女中學生把火星太陽能直升機命名為「獨創號」. 星岛日报. 2020-05-01 [2021-02-22]. 
  12. ^ Alabama High School Student Names NASA's Mars Helicopter, NASA News April 29,2020
  13. ^ 香港天文學會 《香港天文》2020年4月29日新聞報導
  14. ^ 快科技. NASA火星直升机命名出炉：心灵手巧号. 新浪科技. 2020-04-30 [2021-02-22]. 
  15. ^ Mars Helicopter Fact Sheet (PDF). NASA. 2020-02 [2020-05-02]. （原始内容 (PDF)存档于2020-03-22）.   该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  16. ^ Brown, Dwayne; Wendel, JoAnna; Agle, D.C.; Northon, Karen. Mars Helicopter to Fly on NASA's Next Red Planet Rover Mission. NASA. 2018-05-11 [2018-05-11]. （原始内容存档于2018-05-11）.   该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  17. ^ Chang, Kenneth. A Helicopter on Mars? NASA Wants to Try. The New York Times. [2018-05-11]. （原始内容存档于2018-05-11）. 
  18. ^ Gush, Loren. NASA is sending a helicopter to Mars to get a bird's-eye view of the planet - The Mars Helicopter is happening. The Verge. 2018-05-11 [2018-05-11]. 
  19. ^ Review on space robotics: Toward top-level science through space exploration (PDF). Y Gao, S Chien - Science Robotics, 2017.
  20. ^ "NASA's Mars Helicopter: Small, Autonomous Rotorcraft To Fly On Red Planet" 互联网档案馆的存檔，存档日期2018-07-10.. Shubham Sharma, International Business Times. 2018-5-14.
  21. ^ Mars Helicopter a new challenge for flight (PDF). NASA. 2018-07 [2018-07-20]. （原始内容 (PDF)存档于2020-01-01）.   该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  22. ^ Heading Estimation via Sun Sensing for Autonomous Navigation. Parth Shah. 2017.
  23. ^ Mars Helicopter Fact Sheet (PDF). NASA. 2020-02 [2020-05-02]. （原始内容 (PDF)存档于2020-03-22）.   该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  24. ^ 24.0 24.1 Mars Helicopter - YouTube. www.youtube.com. [2021-02-18]. 
  25. ^ Heading Estimation via Sun Sensing for Autonomous Navigation. Parth Shah. 2017.
  26. ^ nasa/fprime
  27. ^ How NASA Designed a Helicopter That Could Fly Autonomously on Mars
  28. ^ 28.0 28.1 Mars Helicopter Technology Demonstrator 互联网档案馆的存檔，存档日期2019-04-01.. (PDF) J. (Bob) Balaram, Timothy Canham, Courtney Duncan, Matt Golombek, Håvard Fjær Grip, Wayne Johnson, Justin Maki, Amelia Quon, Ryan Stern, and David Zhu. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), SciTech Forum Conference; January 8–12, 2018, Kissimmee, Florida. doi:10.2514/6.2018-0023  该来源属于公有领域，本文含有该来源内容。
  29. ^ First Flight on Another Planet!. Veritaseum. 2019-08-10 [2019-08-03]. （原始内容存档于2020-07-28） –通过YouTube. 

另见