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[導(dǎo)讀]2月21日凌晨4點(diǎn)55分,美國(guó)“毅力號(hào)”不經(jīng)變軌,直接沖入火星大氣層,最終成功著陸。這是美國(guó)自2012年以來(lái),再一次以“空中吊車”的方式成功著陸火星,還給火星“帶”來(lái)了首個(gè)開(kāi)源Linux系統(tǒng)以及飛行軟件框架F Prime。

來(lái)源 |?量子位

作者 |?賈浩楠 蕭簫


“確認(rèn)著陸!毅力號(hào)安全到達(dá)火表面。

就在2月21日凌晨4點(diǎn)55分,美國(guó)“毅力號(hào)”不經(jīng)變軌,直接沖入火星大氣層,最終成功著陸。

“毅力號(hào)”成功著陸后,很快傳回了首張圖片。

這是美國(guó)自2012年以來(lái),再一次以“空中吊車”的方式成功著陸火星,還給火星“帶”來(lái)了首個(gè)開(kāi)源Linux系統(tǒng)以及飛行軟件框架F Prime。

F Prime裝在名為“機(jī)智號(hào)”的無(wú)人機(jī)上,由毅力號(hào)攜帶到火星。

這也是直升機(jī)技術(shù)在地球外的首次使用。

值得一提的是,“機(jī)智號(hào)”上面,搭載的是高通驍龍Robotics Flight 801平臺(tái)。

其實(shí)它的核心就是2014年旗艦手機(jī)上的高通驍龍801芯片,與小米4同款(7年前用過(guò)的手機(jī)SoC現(xiàn)在登陸火星了)

“空中吊車”式著陸

與“好奇號(hào)”相似,這一次“毅力號(hào)”同樣以“空中吊車”(sky crane)的方式著陸火星。

這種方案,會(huì)將著陸器分成兩部分,上部分是一個(gè)空中吊車,自帶8個(gè)強(qiáng)力反推火箭,下部分則是火星車。

從保護(hù)罩中被釋放后,“毅力號(hào)”火星車將被吊車懸掛,通過(guò)尼龍繩和負(fù)責(zé)信號(hào)、控制指令傳輸?shù)碾娎|,連接“吊車”并報(bào)告實(shí)時(shí)狀態(tài)。

吊車穩(wěn)定接觸地表后,將瞬間切斷尼龍繩和電纜,并用盡所有能量飛離“毅力號(hào)”火星車、并墜毀。

這次,“毅力號(hào)”在降落過(guò)程中,采用了2項(xiàng)新技術(shù)。

其一,為了盡可能降低著陸過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn),在降落過(guò)程中,“毅力號(hào)”會(huì)快速拍照,通過(guò)距離觸發(fā)技術(shù),評(píng)估與火星地面的距離。

期間,“毅力號(hào)”被包裹在保護(hù)隔熱罩中,在穿過(guò)大氣層后,打開(kāi)降落傘減速降落。

在這之后,隔熱罩就會(huì)飛離,與吊車和火星車分開(kāi)。

接下來(lái),將采用第二項(xiàng)技術(shù),即地形相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)。系統(tǒng)利用這一技術(shù),將著陸器拍的照片與機(jī)載地圖相比較,確定著陸區(qū)環(huán)境,避開(kāi)危險(xiǎn)地形。

這次,“毅力號(hào)”降落的地點(diǎn)“耶澤羅隕擊坑”(Jezero crater)附近散布著巨石、懸崖和沙丘,地勢(shì)較為嚴(yán)峻。

但通過(guò)地形相對(duì)導(dǎo)航技術(shù),吊車憑借點(diǎn)燃的8個(gè)反推火箭,引導(dǎo)“毅力號(hào)”避開(kāi)了危險(xiǎn)區(qū)域,最終成功著陸。

這次,毅力號(hào)還攜帶了兩個(gè)麥克風(fēng)(也是麥克風(fēng)第一次被送上火星),來(lái)傾聽(tīng)火星上的聲音。

這次將完成什么任務(wù)?

這次,“毅力號(hào)”火星車帶來(lái)了7臺(tái)重要儀器。

包括全景相機(jī)、激光測(cè)距儀、X射線光譜儀、紫外光譜儀、制氧器、氣象觀測(cè)設(shè)備、雷達(dá)等等。

這次它的主要任務(wù),首先在著陸的火星遠(yuǎn)古湖泊地形中尋找生命可能存在的證據(jù)。

第二項(xiàng)任務(wù),是采集火星地表土壤和巖石樣本,并就地封存,等待今后NASA的火星任務(wù)將它取回來(lái)。

其它兩項(xiàng)任務(wù),包括探索著陸區(qū)域的地質(zhì)多樣性、為未來(lái)的火星任務(wù)驗(yàn)證新技術(shù),這其中就包括了無(wú)人機(jī)的首飛實(shí)驗(yàn),以及為登錄火星的宇航員制備氧氣。

火星首飛無(wú)人機(jī),有什么黑科技?

重達(dá)一噸的毅力號(hào)火星車,史無(wú)前例的巨大和復(fù)雜,搭載了近十種科學(xué)儀器和探測(cè)設(shè)備。

但是,即使如此,火星車仍然有很大的局限,難以滿足人類探索的好奇心。

首先是受制于火星嚴(yán)酷的環(huán)境條件(平均-63℃),火星車的移動(dòng)速度十分緩慢。

人們最為熟知的“好奇號(hào)”迄今為止已運(yùn)行了八年多,才累積行駛了22公里,平均速度還沒(méi)有蝸???。

其次是火星車“越野”能力不足,無(wú)法進(jìn)入山谷、坑道、懸崖等復(fù)雜地形作業(yè)。

于是,NASA的研究人員就想了一個(gè)辦法來(lái)擴(kuò)展火星車的視野——無(wú)人機(jī)。

即將進(jìn)行史上首次火星飛行的無(wú)人機(jī)機(jī)智號(hào) (Ingenuity),藏在火星車腹艙內(nèi)一起登陸。

第一次登陸火星的機(jī)智號(hào)并沒(méi)有承擔(dān)任何具體的科研任務(wù)。

它的主要使命,就是驗(yàn)證無(wú)人機(jī)在火星環(huán)境中的可行性,收集飛行和火星大氣數(shù)據(jù),為今后能真正執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人機(jī)迭代經(jīng)驗(yàn)。

那么,人類首架火星無(wú)人機(jī),要克服哪些地球上沒(méi)有的困難,又有哪些黑科技和看點(diǎn)?

只有1%大氣壓也能飛

給火星車配一個(gè)無(wú)人機(jī),其實(shí)這個(gè)點(diǎn)子不難想到,真正的難點(diǎn)在于:怎么讓它飛起來(lái)?

??

??火星表面的重力大約只有地球的1/3(38%),看起來(lái)似乎很容易起飛,但有一點(diǎn)非常致命:火星大氣的密度只有地球的1%。

這相當(dāng)于在地球上3萬(wàn)米以上的高空起飛,而目前的高原型無(wú)人機(jī),也不過(guò)可以確保最高在6500米的海拔正常飛行。

除了大氣密度低,火星上的音速也比地球低不少,只有240米每秒。

如果葉片的自旋末梢速度超過(guò)音速,就會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的顫振,所以要把葉片的轉(zhuǎn)速限制在每秒40轉(zhuǎn)之內(nèi)。

限制轉(zhuǎn)速,又要有足夠升力,這就要求整個(gè)設(shè)備不能過(guò)重。

最終的方案是無(wú)人機(jī)全重1.8公斤,高0.5米。采用頂部安裝兩對(duì)碳纖維螺旋槳來(lái)提供動(dòng)力,直徑1.2米,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘2400轉(zhuǎn),功率350瓦。

測(cè)試階段,NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備了一個(gè)名叫“空間模擬器”的巨大房間,可以模擬無(wú)人機(jī)在離開(kāi)地球之后可能面臨的各種極端氣溫,以及火星大氣、重力環(huán)境。

最終,機(jī)智號(hào)實(shí)現(xiàn)了在-90℃的模擬火星環(huán)境下正常工作,水平移動(dòng)的速度為10米每秒,爬升速度為3米每秒。

實(shí)現(xiàn)基本功能后,無(wú)人機(jī)還有一個(gè)重要挑戰(zhàn),就是通信和控制。

但火星和地球距離有10光分左右,不可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

注:光分,即光在真空中一分鐘所行走的距離。

所以,研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)指令列表,預(yù)裝在毅力號(hào)上,由火星車對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信指揮。

所以,機(jī)智號(hào)不能離火星車太遠(yuǎn),設(shè)計(jì)的4次飛行測(cè)試,范圍都不超過(guò)50米,時(shí)間也在90秒之內(nèi)。

飛行中,無(wú)人機(jī)會(huì)捕捉圖像,而毅力號(hào)也有可能拍下一些機(jī)智號(hào)盤旋在空中的圖像。

首架火星無(wú)人機(jī),7年前手機(jī)同款芯片

你沒(méi)看錯(cuò),火星無(wú)人機(jī)上用的處理器,就是小米和其他很多普通民用手機(jī)的同款。

而且,還是7年前的旗艦手機(jī)小米4同款芯片——高通驍龍801(28nm制程)。

為什么選擇民用產(chǎn)品?

最重要的原因是,無(wú)人機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理要求更高,包括飛行時(shí)的姿態(tài)控制、圖像處理等等任務(wù),而火星車上搭載的成熟產(chǎn)品不能滿足要求。

一般來(lái)說(shuō),為了保證航天任務(wù)的成功率,傳統(tǒng)航天器使用的設(shè)備,都偏重成熟穩(wěn)定型號(hào)。

比如好奇號(hào)火星車的電腦使用的 CPU 是PowerPC 750(150nm制程,最高主頻200MHz),其他的硬件配置也很低。

但由于機(jī)智號(hào)本身是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性質(zhì),NASA反倒愿意承擔(dān)一些風(fēng)險(xiǎn),特別允許項(xiàng)目組在市場(chǎng)上采購(gòu)民用產(chǎn)品。

最終選定的驍龍801處理器,除了體積小、抗輻射指標(biāo)達(dá)標(biāo)之外,算力更是比毅力號(hào)火星車上的處理器高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

除了處理器,機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航設(shè)備,包括慣性測(cè)量單元IMU、激光測(cè)距儀等等設(shè)備,都是通過(guò)電商平臺(tái)SparkFun購(gòu)買的,而且它們都是普通的手機(jī)級(jí)硬件。

這些民用品能不能在火星上與航天軍工產(chǎn)品一較高下,很快就會(huì)見(jiàn)分曉。

首個(gè)火星無(wú)人機(jī)代碼,開(kāi)源!

NASA“一聲炮響”,給火星送來(lái)了Linux系統(tǒng)「手動(dòng)狗頭」。

沒(méi)錯(cuò),成功著陸的毅力號(hào)火星車,第一次把Linux操作系統(tǒng)帶上了火星。

之前的NASA的火星探測(cè)器,使用的是VxWorks商業(yè)操作系統(tǒng)。

使用Linux系統(tǒng)的設(shè)備,正是即將進(jìn)行史上首次火星飛行的無(wú)人機(jī)機(jī)智號(hào) (Ingenuity)

而且,NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為火星無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)的Linux飛行控制系統(tǒng),開(kāi)源了

現(xiàn)在,任何開(kāi)發(fā)者都能在Github上下載NASA火星無(wú)人機(jī)“同款”代碼,并用在自己的飛行器上。

隨著美國(guó)“毅力號(hào)”著陸、并開(kāi)始進(jìn)行一系列任務(wù)的同時(shí),我國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”,也已經(jīng)在進(jìn)行著陸的準(zhǔn)備。

天問(wèn)一號(hào)怎么樣了?

目前,天問(wèn)一號(hào)已經(jīng)于2月10號(hào)入軌,并計(jì)劃于5月左右,實(shí)施火星車登陸任務(wù)。

與毅力號(hào)直接進(jìn)行“空中吊車”著陸的方式不同,天問(wèn)一號(hào)將采用動(dòng)力下降進(jìn)行著陸的方式,即火箭反推懸停降落技術(shù)。

就是說(shuō),反推火箭會(huì)一直工作,直到著陸器降落到火星表面。

相比于著陸器本身,這項(xiàng)技術(shù)需要的燃料罐和反推火箭體積更大,傳感系統(tǒng)也都裝在著陸器底部。

由于燃料罐和反推火箭沒(méi)有辦法在著陸前完成脫離,因此,需要著陸腿增大跨距,以提高著陸安全性。

這也是目前最安全的著陸方案,著陸后,著陸器將放出火星車。

天問(wèn)一號(hào)攜帶的火星車,采用太陽(yáng)能供電,設(shè)計(jì)壽命90天。

如果最終這輛火星車成功著陸并運(yùn)行,將成為人類史上首個(gè)一次性完成“繞、落、巡”的火星探測(cè)器。

期待它在5月份的表現(xiàn)。

NASA火星無(wú)人機(jī)開(kāi)源地址:
https://github.com/nasa/fprime


參考鏈接:
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

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