3米高度悬停30秒,火星无人机「机智号」首飞成功,1.2万人贡献开源代码

释放双眼,带上耳机,听听看~!

火星上的一小步,人类的一大步。

当地时间 19 日 NASA 宣布在毅力号的「注视」下,机智号(Ingenuity)无人直升机成功完成了火星上的首次飞行,并完成 3 米高度悬停 30 秒的高难度动作。

机智号团队表示,从火星传回到地球的数据显示,机智号完成了持续约 40 秒的火星首飞,在垂直上升 3 米后,执行了悬停、下降和着陆等所有设定动作。

起飞:

空中悬停:

下降和着陆:

整个飞行过程持续了约 40 秒,机智号无人机创造了人类在火星上的「莱特兄弟时刻」!

一波三折

机智号试飞时间为美国东部时间 19 日 3 时 34 分(北京时间 15 时 34 分),美东时间当天 6 时 46 分(北京时间 18 时 46 分)接收到机智号通过毅力号火星车传回地球的数据,确认其上升至预设的 3 米飞行高度,悬停约 30 秒,随后降落并顺利在火星着陆。

此前,NASA 原定于 4 月 11 日拟尝试首次动力飞行,但在机翼高速旋转测试中,直升机电脑从飞行前模式转为飞行模式期间,系统出现问题并提前终止测试。因此,首飞时间推迟至 14 日。但在 14 日的测试中,由于需要安装其飞行控制软件以修复此前出现的计算机软件故障,验证和安装新飞行软件需要时间,因此首飞时间第二次被推迟。

一波三折之后,机智号火星无人机终于在 4 月 19 日首飞成功。在接下来一个月的时间里,机智号还将进行多达 4 次的飞行。第二次试飞计划不早于 4 月 22 日进行,挑战更高的飞行高度,飞行高度上升到 5 米,飞行时间会更长。最后两次飞行将更加雄心勃勃,最后一次飞行可能会在团队规划的平坦、安全的飞行场(airfield)外飞行。

Ingenuity 的首席飞行员 Håvard Grip 表示:「机智号独创性的完成了它的首次飞行,一架动力飞机在另一个星球上的第一次飞行!」

虽然今天机智号飞行时间很短,但具有重要意义,为今后火星飞机探索铺平了道路。美国航天局官员表示,得益于机智号的开创性工作,未来的 Red Planet 任务通常会包括直升机作为探测器侦察员或数据采集员。

机智号的导航相机拍到的投在火星表面的影子
机智号的导航相机拍到的投在火星表面的影子

为了能在稀薄的火星大气层中飞行,与在地球飞行的直升机相比,机智号火星无人机需要克服哪些困难呢?

机智号旋翼的转速要快得多,叶片达到每分钟 2500 转以上的转速。机智号其实是一台小型的共轴双旋翼直升机,通过螺旋桨的旋转提供升力,可以精确控制 4 个旋翼的倾角,2 个螺旋桨反向旋转力矩抵消,无需尾桨,整体结构也更适合折叠。机智号的重量只有 1.8 千克,高 0.5 米,有 4 片旋翼,驱动电机的峰值功率可达到 350 瓦,由太阳能电池板为锂电池充电。

图源:https://zhaokaifeng.com/?p=6981
图源:https://zhaokaifeng.com/?p=6981

在火星上起飞是个大问题,由于火星表面和地球环境相差很大,火星表面重力大约只有地球表面的 1/3。为了让机智号能够在火星上飞行,必须足够坚固,承受高转速对机体结构的考验。为此,机智号的旋翼、支脚都使用碳纤维构成。

机智号原型在实验室中的试飞(图源:NASA)
机智号原型在实验室中的试飞(图源:NASA)

这项耗费 8500 万美元的飞行是一次技术演示,旨在证明在火星上能够进行动力控制飞行,没有其他额外任务。这次飞行验证了未来火星飞行探测器的可行性,为未来火星宇航员使用无人机打下了基础。

下车独立飞行

早在两个月前,机智号无人机就搭上毅力号火星车的顺风车,一同着陆火星。机智号被固定在毅力号的底部,它们一起经受了 8 分钟内从秒速五公里减速到 0 的考验,在火星成功着陆。对毅力号来说,在火星着陆就是最大的考验。而对于附着在其底面的机智号,考验才刚刚开始。火星表面的温度极低,耶泽罗陨击坑中夜晚最低温度是零下 90 摄氏度,许多电子元件的运行都会受到影响。

毅力号拥有核电池,因此当机智号附着在毅力号上时,可以依靠毅力号的能源保温。

2021 年 4 月 3 日,机智号无人机彩色相机拍摄的首张照片,此时机智号还在火星车底,照片中拍到了火星车两个轮子。

但机智号还是要脱离毅力号完成飞行任务的。在抛掉保护罩,缓慢展开,并将六块锂离子电池充满之后,机智号被放置在了火星表面上。放下机智号后,毅力号尽快驶离。接下来机智号依靠着它上方的太阳能板和内部的电池顺利撑过了火星寒冷的夜晚。

毅力号驶离机智号
毅力号驶离机智号

蛰伏 2 个月,历经数次拖延,并进行了一场火星上的软件升级,机智号终于完成了首飞任务。

在接下来的飞行计划中,毅力号还将会把镜头对准机智号,以提供更多机智号在火星上的飞行照片。此外,毅力号还将在机智号飞行过程中尝试录音,如果可能的话,还会拍摄视频。

机智号首飞成功背后的默默「贡献者」

Ingenuity 的研发团队远远不止 JPL 的 6000 位成员,来自世界各地的开源工作者都为 Ingenuity 的飞行做出了重要贡献。

事实上,GitHub 上有近 12000 名开发人员通过开源为 Ingenuity 的软件做出了贡献。然而,就像第一张黑洞的图片一样,这些开发者中的大多数甚至都没有意识到他们帮助了第一架火星直升机的飞行。

Ingenuity 直升机在其导航计算机上运行嵌入式 Linux 发行版。其中许多软件都使用了 JPL 的开源飞行控制框架 F Prime(F´),并使用 C++ 编写。同时,在从地面控制到飞行建模再到数据处理,Python 生态系统都发挥着关键作用。

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

大约有 12000 人为 Ingenuity 用到的开源软件的代码、文档、设计做出了贡献。为了表彰这些贡献者,GitHub 在他们的个人资料上添加了一种新的徽章。

GitHub 开发者关系高级总监 Martin Woodward 说:「许多获得徽章的人可能并不知道他们的软件被用来在另一颗星球上驾驶直升机。我们希望确保每位贡献者都能受到认可。」

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