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2021-02-19 13:20
NASA毅力号登陆火星了,我们的天问一号呢?

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


“确认着陆!毅力号安全到达火星表面。”


就在今天凌晨4点55分,美国“毅力号”不经变轨,直接冲入火星大气层,最终成功着陆。


“毅力号”成功着陆后,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”的方式成功着陆火星,还给火星“带”来了首个开源Linux系统以及飞行软件框架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。


这也是直升机技术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。



其实它的核心就是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现在登陆火星了)


“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分,上部分是一个空中吊车,自带8个强力反推火箭,下部分则是火星车。



从保护罩中被释放后,“毅力号”火星车将被吊车悬挂,通过尼龙绳和负责信号、控制指令传输的电缆,连接“吊车”并报告实时状态。


吊车稳定接触地表后,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”在降落过程中,采用了2项新技术。


为了尽可能降低着陆过程中的风险,在降落过程中,“毅力号”会快速拍照,通过距离触发技术,评估与火星地面的距离。


期间,“毅力号”被包裹在保护隔热罩中,在穿过大气层后,打开降落伞减速降落。



在这之后,隔热罩就会飞离,与吊车和火星车分开。



接下来,将采用第二项技术,即地形相对导航技术。系统利用这一技术,将着陆器拍的照片与机载地图相比较,确定着陆区环境,避开危险地形。


这次,“毅力号”降落的地点“耶泽罗陨击坑”(Jezero crater)附近散布着巨石、悬崖和沙丘,地势较为严峻。



但通过地形相对导航技术,吊车凭借点燃的8个反推火箭,引导“毅力号”避开了危险区域,最终成功着陆。


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),来倾听火星上的声音。


这次将完成什么任务?


这次,“毅力号”火星车带来了7台重要仪器。


包括全景相机、激光测距仪、X射线光谱仪、紫外光谱仪、制氧器、气象观测设备、雷达等等。



这次它的主要任务,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。


第二项任务,是采集火星地表土壤和岩石样本,并就地封存,等待今后NASA的火星任务将它取回来。


其它两项任务,包括探索着陆区域的地质多样性、为未来的火星任务验证新技术,这其中就包括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,史无前例的巨大和复杂,搭载了近十种科学仪器和探测设备。


但是,即使如此,火星车仍然有很大的局限,难以满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℃),火星车的移动速度十分缓慢。



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,平均速度还没有蜗牛快。


其次是火星车“越野”能力不足,无法进入山谷、坑道、悬崖等复杂地形作业。


于是,NASA的研究人员就想了一个办法来扩展火星车的视野——无人机。


即将进行史上首次火星飞行的无人机机智号 (Ingenuity),藏在火星车腹舱内一起登录。



第一次登陆火星的机智号,没有承担任何具体的科研任务。


它的主要使命,就是验证无人机在火星环境中的可行性,收集飞行和火星大气数据,为今后能真正执行任务的无人机迭代经验。


那么,人类首架火星无人机,要克服哪些地球上没有的困难,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,其实这个点子不难想到,真正的难点在于:怎么让它飞起来?

‍‍


‍‍火星表面的重力大约只有地球的1/3(38%),看起来似乎很容易起飞,但有一点非常致命:火星大气的密度只有地球的1%。


这相当于在地球上3万米以上的高空起飞,而目前的高原型无人机,也不过可以确保最高在6500米的海拔正常飞行。


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。


如果叶片的自旋末梢速度超过音速,就会引发强烈的颤振,所以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,这就要求整个设备不能过重。


最终的方案是无人机全重1.8公斤,高0.5米。采用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”的巨大房间,可以模拟无人机在离开地球之后可能面临的各种极端气温,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工作,水平移动的速度为10米每秒,爬升速度为3米每秒。


实现基本功能后,无人机还有一个重要挑战,就是通信和控制。



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。)


所以,研究团队设计了一个指令列表,预装在毅力号上,由火星车对无人机进行通信指挥。


所以,机智号不能离火星车太远,设计的4次飞行测试,范围都不超过50米,时间也在90秒之内。



飞行中,无人机会捕捉图像,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理器,就是小米和其他很多普通民用手机的同款。


而且,还是7年前的旗舰手机小米4同款芯片——高通骁龙801(28nm制程)



为什么选择民用产品?


最重要的原因是,无人机对实时数据处理要求更高,包括飞行时的姿态控制、图像处理等等任务,而火星车上搭载的成熟产品不能满足要求。


一般来说,为了保证航天任务的成功率,传统航天器使用的设备,都偏重成熟稳定型号。


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



但由于机智号本身是实验验证性质,NASA反到愿意承担一些风险,特别允许项目组在市场上采购民用产品。


最终选定的骁龙801处理器,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理器高好几个数量级。


除了处理器,机智号无人机的导航设备,包括惯性测量单元IMU、激光测距仪等等设备,都是通过电商平台SparkFun购买的,而且它们都是普通的手机级硬件。


这些民用品能不能在火星上与航天军工产品一较高下,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,成功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系统的设备,正是即将进行史上首次火星飞行的无人机机智号 (Ingenuity)


而且,NASA的喷气推进实验室为火星无人机开发的Linux飞行控制系统,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,并用在自己的飞行器上。


随着美国“毅力号”着陆、并开始进行一系列任务的同时,我国的“天问一号”,也已经在进行着陆的准备。


天问一号怎么样了?


目前,天问一号已经于2月10号入轨,并计划于5月左右,实施火星车登陆任务。


与毅力号直接进行“空中吊车”着陆的方式不同,天问一号将采用动力下降进行着陆的方式,即火箭反推悬停降落技术。



就是说,反推火箭会一直工作,直到着陆器降落到火星表面。


相比于着陆器本身,这项技术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办法在着陆前完成脱离,因此,着陆腿需要足够重,以降低着陆器的整体重心,提高着陆安全性。


这也是目前最安全的着陆方案,着陆后,着陆器将放出火星车。



天问一号携带的火星车,采用太阳能供电,设计寿命90天。


如果最终这辆火星车成功着陆并运行,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月份的表现。


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


本文来自微信公众号:量子位(ID:QbitAI),作者:贾浩楠、萧箫

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