本文来自微信民众号：量子位（ID：QbitAI），作者：贾浩楠、萧箫，题图来自：NASA

“确认着陆！毅力号平安到达火星外面。”

就在今天破晓4点55分，美国“毅力号”不经变轨，直接突入火星大气层，最终乐成着陆。

“毅力号”乐成着陆后，很快传回了首张图片。

这是美国自2012年以来，再一次以“空中吊车”的方式乐成着陆火星，还给火星“带”来了首个开源Linux系统以及航行软件框架F Prime。

F Prime装在名为“机智号”的无人机上，由毅力号携带到火星。

这也是直升机手艺在地球外的首次使用。

值得一提的是，“机智号”上面，搭载的是高通骁龙Robotics Flight 801平台。

实在它的焦点就是2014年旗舰手机上的高通骁龙801芯片，与小米4同款（7年前用过的手机SoC现在上岸火星了）。

“空中吊车”式着陆

与“好奇号”相似，这一次“毅力号”同样以“空中吊车”（sky crane）的方式着陆火星。

这种方案，会将着陆器分成两部门，上部门是一个空中吊车，自带8个强力反推火箭，下部门则是火星车。

从珍爱罩中被释放后，“毅力号”火星车将被吊车悬挂，通过尼龙绳和卖力信号、控制指令传输的电缆，毗邻“吊车”并讲述实时状态。

吊车稳固接触地表后，将瞬间切断尼龙绳和电缆，用尽所有能量飞离“毅力号”火星车并坠毁。

这次，“毅力号”在下降过程中，接纳了2项新手艺。

为了尽可能降低着陆过程中的风险，在下降过程中，“毅力号”会快速摄影，通过距离触发手艺，评估与火星地面的距离。

时代，“毅力号”被包裹在珍爱隔热罩中，在穿过大气层后，打开下降伞减速下降。

在这之后，隔热罩就会飞离，与吊车和火星车脱离。

接下来，将接纳第二项手艺，即地形相对导航手艺。系统行使这一手艺，将着陆器拍的照片与机载舆图相比较，确定着陆区环境，避开危险地形。

这次，“毅力号”下降的地址“耶泽罗陨击坑”（Jezero crater）四周散布着巨石、悬崖和沙丘，阵势较为严重。

但通过地形相对导航手艺，吊车依附点燃的8个反推火箭，指导“毅力号”避开了危险区域，最终乐成着陆。

这次，毅力号还携带了两个麦克风（也是麦克风第一次被送上火星），来谛听火星上的声音。

这次将完成什么义务？

这次，“毅力号”火星车带来了7台主要仪器。

包罗全景相机、激光测距仪、X射线光谱仪、紫外光谱仪、制氧器、气象观测装备、雷达等等。

这次它的主要义务，首先在着陆的火星远古湖泊地形中寻找生命可能存在的证据。

第二项义务，是采集火星地表土壤和岩石样本，并就地封存，守候往后NASA的火星义务将它取回来。

其它两项义务，包罗探索着陆区域的地质多样性、为未来的火星义务验证新手艺，这其中就包罗了无人机的首飞实验，以及为登录火星的宇航员制备氧气。

火星首飞无人机，有什么黑科技？

重达一吨的毅力号火星车，史无前例的伟大和庞大，搭载了近十种科学仪器和探测装备。

然则，即使如此，火星车仍然有很大的局限，难以知足人类探索的好奇心。

首先是受制于火星严酷的环境条件（平均-63℃），火星车的移动速率十分缓慢。

人们最为熟知的“好奇号”迄今为止已运行了八年多，才累积行驶了22公里，平均速率还没有蜗牛快。

其次是火星车“越野”能力不足，无法进入山谷、坑道、悬崖等庞大地形作业。

于是，NASA的研究人员就想了一个设施来扩展火星车的视野——无人机。

即将举行史上首次火星航行的无人机机智号 （Ingenuity），藏在火星车腹舱内一起登录。

第一次上岸火星的机智号，没有负担任何详细的科研义务。

它的主要使命，就是验证无人机在火星环境中的可行性，网络航行和火星大气数据，为往后能真正执行义务的无人机迭代履历。

那么，人类首架火星无人机，要战胜哪些地球上没有的难题，又有哪些黑科技和看点？

只有1%大气压也能飞

给火星车配一个无人机，实在这个点子不难想到，真正的难点在于：怎么让它飞起来？

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‍‍火星外面的重力约莫只有地球的1/3（38%），看起来似乎很容易腾飞，但有一点异常致命：火星大气的密度只有地球的1%。

这相当于在地球上3万米以上的高空腾飞，而现在的高原型无人机，也不外可以确保最高在6500米的海拔正常航行。

除了大气密度低，火星上的音速也比地球低不少，只有240米每秒。

若是叶片的自旋末梢速率跨越音速，就会引发强烈的颤振，以是要把叶片的转速限制在每秒40转之内。

限制转速，又要有足够升力，这就要求整个装备不能过重。

最终的方案是无人机全重1.8公斤，高0.5米。接纳顶部安装两对碳纤维螺旋桨来提供动力，直径1.2米，设计转速可达每分钟2400转，功率350瓦。

测试阶段，NASA的JPL实验室准备了一个名叫“空间模拟器”的伟大房间，可以模拟无人机在脱离地球之后可能面临的种种极端气温，以及火星大气、重力环境。

最终，机智号实现了在-90℃的模拟火星环境下正常事情，水平移动的速率为10米每秒，爬升速率为3米每秒。

实现基本功能后，无人机另有一个主要挑战，就是通讯和控制。

但火星和地球距离有10光分左右，不可能实现实时控制。（注：光分，即光在真空中一分钟所行走的距离。）

以是，研究团队设计了一个指令列表，预装在毅力号上，由火星车对无人机举行通讯指挥。

以是，机智号不能离火星车太远，设计的4次航行测试，局限都不跨越50米，时间也在90秒之内。

航行中，无人机遇捕捉图像，而毅力号也有可能拍下一些机智号盘旋在空中的图像。

首架火星无人机，7年前手机同款芯片

你没看错，火星无人机上用的处置器，就是小米和其他许多通俗民用手机的同款。

而且，照样7年前的旗舰手机小米4同款芯片——高通骁龙801（28nm制程）。

为什么选择民用产物？

最主要的原因是，无人机对实时数据处置要求更高，包罗航行时的姿态控制、图像处置等等义务，而火星车上搭载的成熟产物不能知足要求。

一般来说，为了保证航天义务的乐成率，传统航天器使用的装备，都着重成熟稳固型号。

好比好奇号火星车的电脑使用的 CPU 是PowerPC 750（150nm制程，最高主频200MHz），其他的硬件设置也很低。

但由于机智号自己是实验验证性子，NASA反到愿意负担一些风险，稀奇允许项目组在市场上采购民用产物。

最终选定的骁龙801处置器，除了体积小、抗辐射指标达标之外，算力更是比毅力号火星车上的处置器高好几个数量级。

除了处置器，机智号无人机的导航装备，包罗惯性丈量单元IMU、激光测距仪等等装备，都是通过电商平台SparkFun购置的，而且它们都是通俗的手机级硬件。

这些民用品能不能在火星上与航天军工产物一较高下，很快就会见分晓。

首个火星无人机代码，开源！

NASA“一声炮响”，给火星送来了Linux系统。

没错，乐成着陆的毅力号火星车，第一次把Linux操作系统带上了火星。

之前的NASA的火星探测器，使用的是VxWorks商业操作系统。

使用Linux系统的装备，正是即将举行史上首次火星航行的无人机机智号 （Ingenuity）。

而且，NASA的喷气推进实验室为火星无人机开发的Linux航行控制系统，开源了。

现在，任何开发者都能在Github上下载NASA火星无人机“同款”代码，并用在自己的航行器上。

随着美国“毅力号”着陆、并最先举行一系列义务的同时，我国的“天问一号”，也已经在举行着陆的准备。

天问一号怎么样了？

现在，天问一号已经于2月10号入轨，并设计于5月左右，实行火星车上岸义务。

与毅力号直接举行“空中吊车”着陆的方式差别，天问一号将接纳动力下降举行着陆的方式，即火箭反推悬停下降手艺。

就是说，反推火箭会一直事情，直到着陆器下降到火星外面。

相比于着陆器自己，这项手艺需要的燃料罐和反推火箭体积更大，传感系统也都装在着陆器底部。

由于燃料罐和反推火箭没有设施在着陆前完成脱离，因此，着陆腿需要足够重，以降低着陆器的整体重心，提高着陆平安性。

这也是现在最平安的着陆方案，着陆后，着陆器将放出火星车。

天问一号携带的火星车，接纳太阳能供电，设计寿命90天。

若是最终这辆火星车乐成着陆并运行，将成为人类史上首个一次性完成“绕、落、巡”的火星探测器。

期待它在5月份的显示。

NASA火星无人机开源地址：https://github.com/nasa/fprime

参考链接：https://www.wired.com/story/nasa-lands-the-perseverance-rover-on-mars/ https://www.nature.com/articles/d41586-021-00432-1 https://arstechnica.com/science/2021/02/what-to-expect-from-the-dramatic-mars-perseverance-landing-on-thursday/ https://spectrum.ieee.org/automaton/aerospace/robotic-exploration/nasa-designed-perseverance-helicopter-rover-fly-autonomously-mars https://www.futurezone.de/science/article216775269/Der-Mars-Hubschrauber-funktioniert-die-NASA-hats-bewiesen.html

本文来自微信民众号：量子位（ID：QbitAI），作者：贾浩楠、萧箫