发表自话题：天问一号登陆火星
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
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