“確認著陸!毅力號安全到達火星表面。”
就在昨天凌晨4點55分,美國“毅力號”不經變軌,直接沖入火星大氣層,最終成功著陸。
“毅力號”成功著陸后,很快傳回了首張圖片。
這是美國自2012年以來,再一次以“空中吊車”的方式成功著陸火星,還給火星“帶”來了首個開源Linux系統以及飛行軟件框架F Prime。
F Prime裝在名為“機智號”的無人機上,由毅力號攜帶到火星。
這也是直升機技術在地球外的首次使用。
值得一提的是,“機智號”上面,搭載的是高通驍龍Robotics Flight 801平臺。
其實它的核心就是2014年旗艦手機上的高通驍龍801芯片,與小米4同款(7年前用過的手機SoC現在登陸火星了)。
“空中吊車”式著陸
與“好奇號”相似,這一次“毅力號”同樣以“空中吊車”(sky crane)的方式著陸火星。
這種方案,會將著陸器分成兩部分,上部分是一個空中吊車,自帶8個強力反推火箭,下部分則是火星車。
從保護罩中被釋放后,“毅力號”火星車將被吊車懸掛,通過尼龍繩和負責信號、控制指令傳輸的電纜,連接“吊車”并報告實時狀態。
吊車穩定接觸地表后,將瞬間切斷尼龍繩和電纜,并用盡所有能量飛離“毅力號”火星車、并墜毀。
這次,“毅力號”在降落過程中,采用了2項新技術。
其一,為了盡可能降低著陸過程中的風險,在降落過程中,“毅力號”會快速拍照,通過距離觸發技術,評估與火星地面的距離。
期間,“毅力號”被包裹在保護隔熱罩中,在穿過大氣層后,打開降落傘減速降落。
在這之后,隔熱罩就會飛離,與吊車和火星車分開。
接下來,將采用第二項技術,即地形相對導航技術。系統利用這一技術,將著陸器拍的照片與機載地圖相比較,確定著陸區環境,避開危險地形。
這次,“毅力號”降落的地點“耶澤羅隕擊坑”(Jezero crater)附近散布著巨石、懸崖和沙丘,地勢較為嚴峻。
但通過地形相對導航技術,吊車憑借點燃的8個反推火箭,引導“毅力號”避開了危險區域,最終成功著陸。
這次,毅力號還攜帶了兩個麥克風(也是麥克風第一次被送上火星),來傾聽火星上的聲音。
這次將完成什么任務?
這次,“毅力號”火星車帶來了7臺重要儀器。
包括全景相機、激光測距儀、X射線光譜儀、紫外光譜儀、制氧器、氣象觀測設備、雷達等等。
這次它的主要任務,首先在著陸的火星遠古湖泊地形中尋找生命可能存在的證據。
第二項任務,是采集火星地表土壤和巖石樣本,并就地封存,等待今后NASA的火星任務將它取回來。
其它兩項任務,包括探索著陸區域的地質多樣性、為未來的火星任務驗證新技術,這其中就包括了無人機的首飛實驗,以及為登錄火星的宇航員制備氧氣。
火星首飛無人機,有什么黑科技?
重達一噸的毅力號火星車,史無前例的巨大和復雜,搭載了近十種科學儀器和探測設備。
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酷的環境條件(平均-63℃),火星車的移動速度十分緩慢。
人們最為熟知的“好奇號”迄今為止已運行了八年多,才累積行駛了22公里,平均速度還沒有蝸???。
其次是火星車“越野”能力不足,無法進入山谷、坑道、懸崖等復雜地形作業。
于是,NASA的研究人員就想了一個辦法來擴展火星車的視野——無人機。
即將進行史上首次火星飛行的無人機機智號 (Ingenuity),藏在火星車腹艙內一起登陸。
第一次登陸火星的機智號并沒有承擔任何具體的科研任務。
它的主要使命,就是驗證無人機在火星環境中的可行性,收集飛行和火星大氣數據,為今后能真正執行任務的無人機迭代經驗。
那么,人類首架火星無人機,要克服哪些地球上沒有的困難,又有哪些黑科技和看點?
只有1%大氣壓也能飛
給火星車配一個無人機,其實這個點子不難想到,真正的難點在于:怎么讓它飛起來?
火星表面的重力大約只有地球的1/3(38%),看起來似乎很容易起飛,但有一點非常致命:火星大氣的密度只有地球的1%。
這相當于在地球上3萬米以上的高空起飛,而目前的高原型無人機,也不過可以確保最高在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音速,就會引發強烈的顫振,所以要把葉片的轉速限制在每秒40轉之內。
限制轉速,又要有足夠升力,這就要求整個設備不能過重。
最終的方案是無人機全重1.8公斤,高0.5米。采用頂部安裝兩對碳纖維螺旋槳來提供動力,直徑1.2米,設計轉速可達每分鐘2400轉,功率350瓦。
測試階段,NASA的JPL實驗室準備了一個名叫“空間模擬器”的巨大房間,可以模擬無人機在離開地球之后可能面臨的各種極端氣溫,以及火星大氣、重力環境。
最終,機智號實現了在-90℃的模擬火星環境下正常工作,水平移動的速度為10米每秒,爬升速度為3米每秒。
實現基本功能后,無人機還有一個重要挑戰,就是通信和控制。
但火星和地球距離有10光分左右,不可能實現實時控制。
注:光分,即光在真空中一分鐘所行走的距離。
所以,研究團隊設計了一個指令列表,預裝在毅力號上,由火星車對無人機進行通信指揮。
所以,機智號不能離火星車太遠,設計的4次飛行測試,范圍都不超過50米,時間也在90秒之內。
飛行中,無人機會捕捉圖像,而毅力號也有可能拍下一些機智號盤旋在空中的圖像。
首架火星無人機,7年前手機同款芯片
你沒看錯,火星無人機上用的處理器,就是小米和其他很多普通民用手機的同款。
而且,還是7年前的旗艦手機小米4同款芯片——高通驍龍801(28nm制程)。
為什么選擇民用產品?
最重要的原因是,無人機對實時數據處理要求更高,包括飛行時的姿態控制、圖像處理等等任務,而火星車上搭載的成熟產品不能滿足要求。
一般來說,為了保證航天任務的成功率,傳統航天器使用的設備,都偏重成熟穩定型號。
比如好奇號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。
但由于機智號本身是實驗驗證性質,NASA反倒愿意承擔一些風險,特別允許項目組在市場上采購民用產品。
最終選定的驍龍801處理器,除了體積小、抗輻射指標達標之外,算力更是比毅力號火星車上的處理器高好幾個數量級。
除了處理器,機智號無人機的導航設備,包括慣性測量單元IMU、激光測距儀等等設備,都是通過電商平臺SparkFun購買的,而且它們都是普通的手機級硬件。
這些民用品能不能在火星上與航天軍工產品一較高下,很快就會見分曉。
首個火星無人機代碼,開源!
NASA“一聲炮響”,給火星送來了Linux系統「手動狗頭」。
沒錯,成功著陸的毅力號火星車,第一次把Linux操作系統帶上了火星。
之前的NASA的火星探測器,使用的是VxWorks商業操作系統。
使用Linux系統的設備,正是即將進行史上首次火星飛行的無人機機智號(Ingenuity)。
而且,NASA的噴氣推進實驗室為火星無人機開發的Linux飛行控制系統,開源了。
現在,任何開發者都能在Github上下載NASA火星無人機“同款”代碼,并用在自己的飛行器上。
隨著美國“毅力號”著陸、并開始進行一系列任務的同時,我國的“天問一號”,也已經在進行著陸的準備。
天問一號怎么樣了?
目前,天問一號已經于2月10號入軌,并計劃于5月左右,實施火星車登陸任務。
與毅力號直接進行“空中吊車”著陸的方式不同,天問一號將采用動力下降進行著陸的方式,即火箭反推懸停降落技術。
就是說,反推火箭會一直工作,直到著陸器降落到火星表面。
相比于著陸器本身,這項技術需要的燃料罐和反推火箭體積更大,傳感系統也都裝在著陸器底部。
由于燃料罐和反推火箭沒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。
天問一號攜帶的火星車,采用太陽能供電,設計壽命90天。
如果最終這輛火星車成功著陸并運行,將成為人類史上首個一次性完成“繞、落、巡”的火星探測器。
期待它在5月份的表現。
責編AJX
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