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毅力号搭载的“机智号”直升机将在火星上起飞:解锁外星探索新姿势

毅力号搭载的“机智号”直升机将在火星上起飞:解锁外星探索新姿势

毅力号搭载的“机智号”直升机将在火星上起飞:解锁外星探索新姿势

毅力号搭载的“机智号”直升机将在火星上起飞:解锁外星探索新姿势

毅力号搭载的“机智号”直升机将在火星上起飞:解锁外星探索新姿势

据新浪科技:将近120年前,莱特兄弟证明了在地球上进行可控动力飞行是可能的。如今,美国国家航空航天局(NASA)准备在另一个星球上进行同样的尝试。如果他们的飞行器最终取得成功,将为人类以航空方式探索其他行星提供重要的信息。

在一段短暂而富有戏剧性的降落过程后,毅力号已经于2月18日降落在火星的杰泽罗撞击坑。毅力号上搭载的“机智号”(Ingenuity)是一架重约1.8千克的直升机,一切顺利的话,它将成为首个进入另一颗行星大气层飞行的人类航天器。这架小型直升机目前被绑在NASA的“毅力”号(Perseverance)火星探测车的腹部,正在由毅力号为其充电,毅力号放手后,将由其自身携带的太阳能电池板供能。

NASA将机智号直升机任务称为“技术演示”,这意味着其唯一使命就是在一系列试飞中成功地展示其飞行能力。如果一切进展顺利,机智号将引领一个探索火星崎岖地形的新时代。在探测车无法到达的地方,像机智号这样的航天器可以对火星的一些危险特征,如巨大的熔岩通道等,进行更近距离的观察。

在火星上怎么起飞?

请设想一下:在我们所处的地球上,还没有一架直升机能飞到超过12千米的高度。但在火星上,大气的密度只有地球的百分之一,非常稀薄,因此在火星上飞行就相当于尝试在地球30千米的高空起飞。

NASA喷气推进实验室(JPL)的项目经理MiMi Aung说:“你不能把一架设计为在地球上飞行的直升机等比例改装,就指望它能在火星上运行。”为了使直升机产生足够的升力,MiMi Aung和喷气推进实验室的Bob Balaram团队对传统旋翼机进行了重新设计,采用了新的旋翼叶片形状和材料,同时大幅提高了这些叶片的旋转速度。最终的成品包含两个上下堆叠的旋翼,其叶片直径约为120厘米,以相反的方向旋转,转速可达每分钟2400转。

不过,升力并不是机智号团队唯一关心的问题。为了制造一架可以在火星上飞行的直升机,他们要解决诸多难题,包括让飞行器几乎完全自动驾驶,并使其重量减至最轻。MiMi Aung表示,尽管火星的重力只有地球上的三分之一左右,但降低机智号的重量一直是困扰项目工程师们的一大难题。无论如何,这架直升机的重量必须在1.8千克以下。另一方面,为了满足在毅力号探测器的腹部安装机智号的需要,其旋翼的宽度必须限制在120厘米,这也限制了直升机的升力。

“我们所做的一切都是为了让它变得足够轻,而且足够坚固,能够承受发射和火星之旅的考验,”Bob Balaram说,“这架飞行器需要能够成为真正的宇宙飞船。”

MiMi Aung回忆了一段趣事。原本脾气温和的Balaram和通信团队的成员之间爆发了一次争吵,因为后者犯下了一个错误:要求为他们的设备在增加额外的3克载荷。MiMi Aung回忆说:“他明确表示,他们需要在没有额外3克的情况下解决这个问题。”

喷气推进实验室团队面临的另一个巨大挑战是让机智号实现近乎完全的自主化,因为信号从地球到达火星至少需要5分钟。设计师们还需要确保该直升机不会危及耗资25亿美元的毅力号任务。这就需要安全方面的创新,比如只在飞行前才给电池充满电,以确保机智号的锂离子电池不会像某些智能手机那样因过度充电而发生爆炸。

Balaram在20世纪90年代就有了火星飞行器的初步想法,这后来成为机智号设计的支柱。21世纪初,他和一些同事向NASA提出了火星直升机的概念,并获得了一年的研究资金,但最终因为资金枯竭,对这一概念的研究被搁置。

MiMi Aung回忆道,十多年后,当时的喷气推进实验室主任查尔斯·埃拉奇在看到一个演讲之后,向他的团队提出了一个直率的问题:为什么我们不试着在火星上飞行?团队中有人想起了Balaram的工作,事情开始有了转机。在又一轮充满前景的测试之后,喷气推进实验室于2014年任命MiMi Aung为该项目的经理。

在地球上如何模拟测试火星上的飞行

随着项目的推进,团队迎来了一个新的挑战:如何尽可能真实地测试直升机的飞行性能?此前还没有任何在火星上飞行的尝试,因此该团队必须想出一些方法,在地球上模拟火星稀薄的空气、较低的重力,甚至模拟类似火星的天气条件。

2014年12月,该团队从喷气推进实验室的真空室中吸走了几乎全部空气,直到其密度与火星大气的密度相当。接着,他们启动了原型机的旋翼叶片,使这架直升机飞离地面,首次证明在如此稀薄的空气中飞行是可能的。然而,这架由操纵杆控制的直升机在摇晃着飞离地面之后,突然又撞向一边,将旋翼叶片都打碎了。起飞是做到了,但操控并不如人意。

在对这次测试的分析中,Balaram及其团队意识到,有必要改进一下原型机的叶片。在地球上,高速旋转的直升机叶片会上下拍打,但空气的厚度足以使其在失控之前减弱拍打的幅度。然而,在模拟的火星大气中,这样的拍打会失去控制,使直升机失去平衡。为了解决这个问题,团队最终用强度极高且重量极轻的碳纤维制造了旋翼叶片。

在解决了受控飞行问题之后,团队需要解决直升机自主飞行的问题。工程师哈弗德·格里普领导着导航和控制团队,着手开发合适的传感器和算法组合,以确保直升机保持稳定并对准目标。2016年5月,在第二次重大的测试中,机智号直升机飞离地面后保持了稳定的盘旋,但其下方仍然有一串悬垂的电线,连接幕后的电源和计算机。接下来的两年里,机智号团队将在火星上飞行所需的所有部件,包括太阳能电池板、电池、通信设备和处理器等,都整合成了一个1.8千克重的箱体,而且基本上能够自主飞行。

对满载原型机的最后一次测试是在2018年1月。工程师们设计了一个更接近火星的飞行环境。他们在直升机上连了一条钓鱼线,将其缓慢向上牵拉,以模拟火星重力下降的情况;与此同时,他们在飞行室中注入二氧化碳,更进一步模拟火星大气的组成。直升机起飞了,盘旋着,进行了一次可测量的左右移动。一个设想中的概念似乎即将成为现实。

最后,团队开始了机智号的建造和组装工作。令人紧张的最后一步是在一间洁净的房间里进行的,那里有经过严格消毒的设备和部件,以确保直升机不会携带任何生物污染物,毕竟它的任务是在火星上搜寻古代生命的迹象。

机智号的火星工作计划

2月18日,当机智号直升机随毅力号抵达这颗红色星球时,它将面临干燥、寒冷的严酷环境,那里的夜间温度可能骤降至零下90摄氏度。在着陆后60到90天,如果一切顺利,毅力号将移动到较为平坦的地面,将机智号放下。当这架直升机在火星铁锈色的土地上停稳之后,毅力号将行驶到一个足球场以外的地方。

在接下来的30天里,机智号计划尝试5次飞行,难度会逐渐增加。当然,在另一个星球的历史性首飞将只是一个简单的盘旋。按照计划,机智号的每次飞行不超过3分钟,飞行高度约为3到5米,飞行距离可达300米。每次降落后,机智号将直接与毅力号通信。

“第一次在我们从未经历过的条件下飞行,这样的想法本身就令人惊叹,”麻省理工学院的自主机器人研究者尼克·罗伊说,“你可以做所有你想做的测试和分析,但在一切工作结束之后,终于可以起飞了,在我们在地球上从未见到过的条件下飞行。”

如果一切进展顺利,机智号的试飞将在火星表面上穿越约500米的距离。尽管没有科学目标,但机智号携带了两个相机,或许可以从一个全新的角度提供火星的图像。通过这些图像,我们将了解未来的直升机将如何改变NASA在火星甚至其他星球上进行探索的能力。“如果这项努力成功了,它将为我们探索火星表面提供一种全新方式,”NASA总部机智号项目主管戴夫·拉弗里说,“比如,你会想知道下一座山那边是什么。”

在喷气推进实验室,历史学家埃里克·康威的工作之一就是记录机智号的成就和磨难。他表示,想要更进一步探索火星表面,我们就必须以更快的速度覆盖更多的地面。“我们在整个火星上着陆的东西还不到10件,”他说,“如果你试图通过降落在10个地点的探测器来说服我,你知道关于地球的一切,我会嘲笑你的。”

Balaram表示,未来的火星直升机可能重达23千克,包括大约3.6千克的科学仪器,其外形可能类似于地球上的六轴无人机。

拉弗里表示,如果机智号成功在火星上实现了可控飞行,它就“打破了壁垒”。换言之,如果我们能在火星上这么做,那在其他地方也可以这么做。NASA已经在筹划一项名为“蜻蜓号”(Dragonfly)的任务,计划用其在土卫六“泰坦”(Titan)上寻找适合生物生存的环境与化学条件。蜻蜓号将是一架核动力旋翼直升机,因为土卫六上的大气更为稠密。

当然,所有这些可能性都取决于机智号在火星上的试飞情况。“在火星上的第一次飞行将是决定性的最终测试,”MiMi Aung说,“没人知道这项任务是否真的能实现,现在我们需要再进行一次飞行来证明这一点。”

来源:Smithsonian Magazine作者:亚历克斯·福克斯(Alex Fox)翻译:任天

相关报道:人类需要“毅力号”登陆火星的三个原因

据雷锋网:本周,美国国家航空航天局(NASA)成功地将其最先进的火星车“毅力号”降落在另一颗行星的表面。“毅力号”是美国宇航局第五辆成功登陆火星的火星车,当任务结束时,它将耗资近30亿美元。

新冠病毒肆虐全球、全球经济陷入困境,可以说现在是人类进入太空时代以来最低迷的一段时间。我们为什么还要在此刻将人类最好的科技资源投入到冰冷、荒凉、充满辐射的“沙漠星球”?

如果你不明白为什么NASA要让一辆“傻乎乎”的沙丘车载着一架小型直升机进行长达1亿英里的“旅行”。那么下面三点原因,也许你需要知道。

脆弱的地球生态

有证据表明,火星和金星这两颗离我们最近的行星,曾经适合居住。但是今天,它们都成为了生态极其恶劣的地方。

“毅力”号降落在Jezero火山口,那里曾被认为是一个流入火山口湖的大型河流三角洲的所在地,这样的环境很有可能曾经诞生过生命。

但是因为某些原因,火星失去了大部分大气层,变得干枯,变成了我们今天所知道的寒冷、不适宜居住的世界。

火星的生态环境,由好变坏的过程,值得我们去探寻。如果地球的两个邻居都因某种原因,环境从友好到恶劣,那么我们从中探寻其原因,或许能避免地球“重蹈覆辙”。

我们把地球想象成一个充满生命的大浮球,但现实却更加脆弱。

从轨道上看,我们的星球上方有一条绿色的发光氧气线,标志着我们大气的边缘。这条发光的线揭示了我们星球的宜居带的真正脆弱性。宜居带不是整个星球,而是表面上的一个“小气泡”,从海平面延伸到几英里的高度,也不包括极地地区。

从这种角度来看,人们几乎觉得这个泡沫很容易破裂。火星的泡沫会破裂,地球或许也会。

把握新一代技术革命

美国前总统肯尼迪曾说过,我们做这件事(把人送上月球),并不是因为它很简单,而是因为它很困难。

当然这并不是真实的理由,太空时代的阿波罗计划,很大程度上是出于军事和地缘政治的考虑。我们在冷战时期的太空竞赛中浪费了大量的GDP(国内生产总值),这更多的是关于民族自豪感和经济实力上的炫耀,而不是科学和探索。

但是通过进入太空,我们彻底改变了地球上的生命。

通讯、互联网,有太多的技术变革都是从阿波罗计划中延伸出来的。一开始是大国之间的技术较量,到如今已经改变了数十亿人日常生活的无数方面。

探索火星需要通过无数工程和技术上的创新,我们从应对这些挑战中学到的东西,可能会引发下一次技术革命,使50年的人类的生活超越我们现在所能想象的一切。

埃隆·马斯克:地球并不安全

这个你已经听过了。埃隆·马斯克(Elon Musk)是目前世界上最富有的人之一,他想在火星上建造一座城市,让人类成为“跨星际物种”。

他有一种观点,被很多人接受。他认为地球并不像它看起来那么安全。大规模的太阳耀斑、彗星撞击、核毁灭、环境崩溃,甚至是我们从未想过的灾难,都有可能毁灭地球。

所以人类有一个“后备计划”是很有意义的。

相关报道:带Linux和骁龙801上火星毅力号如何“改写教科书”?

据雷锋网:阿联酋、中国、美国于2020年窗口期先后发射的“火星三杰”,如今都在按各自的计划继续探索之旅——最新的消息是,NASA毅力号火星车已成功着陆火星,并传回了多张照片。位于美国南加州的NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)任务控制中心宣布,北京时间2021年2月19日凌晨4点55分左右,毅力号以每小时19312公里的速度撞击火星大气层。

约7分钟后,以“空中吊车”方式顺利登陆火星,到达位于火星北纬18度、西经77度区域的杰泽罗陨石坑(Jezero Crater)。

当天,毅力号还传回了它拍下的首张图像——一幅黑白的火星地表图。

NASA:毅力号将改写教科书

北京时间2020年7月30日19时50分,佛州卡纳维拉尔角空军基地(Cape Canaveral Air Force Station)41号发射场,搭载着毅力号的阿特拉斯5型运载火箭(Atlas V-541,又称宇宙神5号)发射升空。

在登陆火星之前,毅力号经历了203天的旅程,跨越了4.72亿公里。

着陆之后,NASA喷气推进实验室的工程师和科学家们一直在等待着火星车的下一次数据传输。

终于,在毅力号成功登陆火星后不到一天的时间里,数艘环绕火星飞行的航天器逐一传回了数据,知道一切都在按计划进行,团队才算是松了一口气。

对于此次的重要突破,NASA代理局长Steve Jurczyk表示:

这次着陆火星 NASA乃至全球太空探索的关键时刻之一。我们知道,我们离突破性的发现并不远了,可以说是在改写教科书。

这一消息也在各大社交平台引起了广泛关注。

毅力号传回多图

但正如 NASA官网的新闻稿所言:更令人兴奋的是探测器着陆时拍摄的高分辨率图像。

其实早在2011年11月,NASA就发射了火星探测器“好奇号”——它是美国第7个火星探测器、第4台火星车,也是世界首辆核动力火星车,其使命便是探寻火星上的生命元素。

201年8月6日,好奇号成功登陆火星表面,当时这一探测器发回了一段即将着陆火星表面时拍下的下降过程定格动画,而此次的毅力号作为好奇号的“继任者”,更是配备了摄像机,捕捉到了其着陆过程的视频。

目前,这一视频仍在向地球传回并进行处理中。

据了解,不同于此前的探测器,毅力号上大多数的相机都是彩色的,通过其携带的相机,NASA获取了几张彩色图像。

着陆后,毅力号前后两端的两台Hazcam也拍摄了照片,显示的是探测器的其中一个轮子落在了火星的泥土上。

另外NASA也公布了这张黑白特写。

这张图出自NASA的“火星勘测轨道器”(Mars Reconnaissance Orbiter,MRO)之手。MRO利用一个特殊的高分辨率相机(HiRISE相机),捕捉到了连接着降落伞的毅力号下降的过程。

作为一款多用途火星探测器,MRO的设计由喷气推进实验室负责(其 HiRISE相机由美国亚利桑那大学负责),它于2005年8月12日同样由宇宙神-5运载火箭发射,其目标之一就是为后续的火星着陆任务寻找适合的着陆地点,同时为这些任务提供通信中继功能:

2006年3月10日,MRO进入大椭圆火星极轨道;

2006年9月,MRO进入 250km/316km的近圆轨道;

2006年11月17日,MRO与勇气号合作完成了轨道中继通信测试;

2012年,MRO利用高分辨率相机拍下了好奇号着陆火星的过程。

不仅如此,NASA表示,后续要将原本固定在毅力号甲板位置的桅杆(火星车的“头部”)释放出来。

NASA的想法是,用于火星车行驶的导航摄像机Navcams与两个科学摄像机(可缩放的Mastcam-Z和被称为SuperCam的激光仪器)将“共享”桅杆上的空间,桅杆升起之后,Navcams有望拍摄甲板及其周围环境的全景照片。

“最复杂的机器人地质学家”

毅力号的一个关键目标是天体生物学,包括寻觅形成于 35亿年前的火星古代微生物生命迹象,它将是首次收集火星岩石和风化层的任务,NASA希望能够通过毅力号更为准确地描述火星的地质、气候。

正如前文所述,毅力号的主要探索地点是火星伊西迪斯平原(Isidis Planitia)西部边缘(火星赤道以北)一个叫做杰泽罗陨石坑(Jezero Crater)的地方,作为一个巨大的撞击盆地,其宽约45公里。此前,科学家们已经确定,35亿年前这个“大坑”存在着三角洲,充满了水。

也就是说,要了解火星,这里是一个不错的切入点。

自然,要达到最终目的,科学仪器是关键——按 NASA的话说就是,毅力号是“最复杂的机器人地质学家”。

毅力号有着总重59公斤(毅力号探测器重1026公斤)的7台科学仪器:

变焦全景相机Mastcam-Z:位于桅杆上,不仅能鉴定岩石成分、辅助火星车行进,还能得到高清晰度的全景3D立体图像;

火星环境动力学分析仪MEDA:记录、分析火星的大气温度、湿度、气压、风速、风向、沙尘大小与形态;

制氧仪MOXIE:从二氧化碳中提取氧气,既要为未来宇航员登陆火星吸氧做准备,还要作为航天器返回地球的燃料来源,从而实现NASA的“造氧计划”;

X射线仪PIXL:利 X射线对火星沙粒进行更为精准的分析;

火星地下实验雷达成像仪RIMFAX:以厘米级分辨率探测火星的地下结构;

紫外光谱仪SHERLOC:利用紫外激光分析物质,实现扫描可居住环境的目的;

激光超距分析仪SuperCam:远距离分析岩石、土壤成分。

其实不仅是上述仪器,毅力号总共搭载着23台相机,大部分都是彩色相机。

另外,毅力号上也搭载了2个麦克风,既能收录火星车登陆火星的声音,火星上的风吹草动也可以捕捉得到,而这也是美国火星探测器首次配备有这样的设计。目前NASA也已经公布了一段来自火星的声音,红色星球的神秘与茫茫宇宙的恐惧一“听”无余。

Linux登陆火星

毅力号的计算机控制系统也值得关注。

其计算机系统符合航空工业标准,包括2个相同的、互为备份的模块,即RCE(Rover Compute Element),采用了IBM PowerPC 750架构的抗辐射中央处理器BAE RAD750,其运行速度比勇气号、机遇号所搭载的中央处理器快十倍。

其实跟随着毅力号的,还有一架小型太阳能无人直升机“机智号”(Ingenuity)。

无人机目前被安置在毅力号的腹部位置,重1.8公斤,将通过相机跟踪估计速度,实现视觉导航;它配备的是高通骁龙处理器、高通飞行控制面板以及Linux飞行控制系统。

此前,JPL飞行软件工程师Timothy Canham向IEEE Spectrum表示:

机智号直升机使用的处理器正是高通骁龙801。

CSDN消息,NASA已将机智号的Linux系统在 GitHub(https://github.com/nasa/fprime)上进行了开源。

对此,一位来自芬兰安全公司F-Secure的mikko发推:

Mars becomes the second planet that has more computers running Linux than Windows.(火星成为第二个运行Linux系统的计算机数量超过 Windows系统的星球。)

据了解,在毅力号开始为期 2年的陨石坑科学调查之前,首先将接受为期数周的测试。

而对于机智号无人机,工程师和科学家们将在接下来的一两个月里不断测试其速度以及每一个仪器、子系统、子程序。等各项测试完成,无人机才能进行飞行测试阶段——若此举成功,人类探索火星就又多了一个维度,未来无人机可以用作侦察机,甚至能为火星上的宇航员提供运输服务。

回顾人类火星探索史可知,阿联酋、中国、美国于2020年窗口期先后发射的“火星三杰”都迈出了瞩目的一步。

NASA今天在推特上表示:The Best is Yet to Come.(最好的尚未到来。)

究竟毅力号能否改写教科书,我们拭目以待。

机器头条新闻 news.ji-qi.com)综合整理。

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