火星上的一小步，人類的一大步。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間 19 日 NASA 宣布在毅力號(hào)的「注視」下，機(jī)智號(hào)（Ingenuity）無人直升機(jī)成功完成了火星上的首次飛行，并完成 3 米高度懸停 30 秒的高難度動(dòng)作。
機(jī)智號(hào)團(tuán)隊(duì)表示，從火星傳回到地球的數(shù)據(jù)顯示，機(jī)智號(hào)完成了持續(xù)約 40 秒的火星首飛，在垂直上升 3 米后，執(zhí)行了懸停、下降和著陸等所有設(shè)定動(dòng)作。
起飛：
空中懸停：
下降和著陸：
整個(gè)飛行過程持續(xù)了約 40 秒，機(jī)智號(hào)無人機(jī)創(chuàng)造了人類在火星上的「萊特兄弟時(shí)刻」！
一波三折
機(jī)智號(hào)試飛時(shí)間為美國東部時(shí)間 19 日 3 時(shí) 34 分（北京時(shí)間 15 時(shí) 34 分），美東時(shí)間當(dāng)天 6 時(shí) 46 分（北京時(shí)間 18 時(shí) 46 分）接收到機(jī)智號(hào)通過毅力號(hào)火星車傳回地球的數(shù)據(jù)，確認(rèn)其上升至預(yù)設(shè)的 3 米飛行高度，懸停約 30 秒，隨后降落并順利在火星著陸。
此前，NASA 原定于 4 月 11 日擬嘗試首次動(dòng)力飛行，但在機(jī)翼高速旋轉(zhuǎn)測試中，直升機(jī)電腦從飛行前模式轉(zhuǎn)為飛行模式期間，系統(tǒng)出現(xiàn)問題并提前終止測試。因此，首飛時(shí)間推遲至 14 日。但在 14 日的測試中，由于需要安裝其飛行控制軟件以修復(fù)此前出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)軟件故障，驗(yàn)證和安裝新飛行軟件需要時(shí)間，因此首飛時(shí)間第二次被推遲。
一波三折之后，機(jī)智號(hào)火星無人機(jī)終于在 4 月 19 日首飛成功。在接下來一個(gè)月的時(shí)間里，機(jī)智號(hào)還將進(jìn)行多達(dá) 4 次的飛行。第二次試飛計(jì)劃不早于 4 月 22 日進(jìn)行，挑戰(zhàn)更高的飛行高度，飛行高度上升到 5 米，飛行時(shí)間會(huì)更長。最后兩次飛行將更加雄心勃勃，最后一次飛行可能會(huì)在團(tuán)隊(duì)規(guī)劃的平坦、安全的飛行場（airfield）外飛行。
Ingenuity 的首席飛行員 H?vard Grip 表示：「機(jī)智號(hào)獨(dú)創(chuàng)性的完成了它的首次飛行，一架動(dòng)力飛機(jī)在另一個(gè)星球上的第一次飛行！」
雖然今天機(jī)智號(hào)飛行時(shí)間很短，但具有重要意義，為今后火星飛機(jī)探索鋪平了道路。美國航天局官員表示，得益于機(jī)智號(hào)的開創(chuàng)性工作，未來的 Red Planet 任務(wù)通常會(huì)包括直升機(jī)作為探測器偵察員或數(shù)據(jù)采集員。
機(jī)智號(hào)的導(dǎo)航相機(jī)拍到的投在火星表面的影子。
為了能在稀薄的火星大氣層中飛行，與在地球飛行的直升機(jī)相比，機(jī)智號(hào)火星無人機(jī)需要克服哪些困難呢？
機(jī)智號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速要快得多，葉片達(dá)到每分鐘 2500 轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)速。機(jī)智號(hào)其實(shí)是一臺(tái)小型的共軸雙旋翼直升機(jī)，通過螺旋槳的旋轉(zhuǎn)提供升力，可以精確控制 4 個(gè)旋翼的傾角，2 個(gè)螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)力矩抵消，無需尾槳，整體結(jié)構(gòu)也更適合折疊。機(jī)智號(hào)的重量只有 1.8 千克，高 0.5 米，有 4 片旋翼，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率可達(dá)到 350 瓦，由太陽能電池板為鋰電池充電。
圖源：https://zhaokaifeng.com/?p=6981
在火星上起飛是個(gè)大問題，由于火星表面和地球環(huán)境相差很大，火星表面重力大約只有地球表面的 1/3。為了讓機(jī)智號(hào)能夠在火星上飛行，必須足夠堅(jiān)固，承受高轉(zhuǎn)速對機(jī)體結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)。為此，機(jī)智號(hào)的旋翼、支腳都使用碳纖維構(gòu)成。
這項(xiàng)耗費(fèi) 8500 萬美元的飛行是一次技術(shù)演示，旨在證明在火星上能夠進(jìn)行動(dòng)力控制飛行，沒有其他額外任務(wù)。這次飛行驗(yàn)證了未來火星飛行探測器的可行性，為未來火星宇航員使用無人機(jī)打下了基礎(chǔ)。
下車獨(dú)立飛行
早在兩個(gè)月前，機(jī)智號(hào)無人機(jī)就搭上毅力號(hào)火星車的順風(fēng)車，一同著陸火星。機(jī)智號(hào)被固定在毅力號(hào)的底部，它們一起經(jīng)受了 8 分鐘內(nèi)從秒速五公里減速到 0 的考驗(yàn)，在火星成功著陸。對毅力號(hào)來說，在火星著陸就是最大的考驗(yàn)。而對于附著在其底面的機(jī)智號(hào)，考驗(yàn)才剛剛開始。火星表面的溫度極低，耶澤羅隕擊坑中夜晚最低溫度是零下 90 攝氏度，許多電子元件的運(yùn)行都會(huì)受到影響。
毅力號(hào)擁有核電池，因此當(dāng)機(jī)智號(hào)附著在毅力號(hào)上時(shí)，可以依靠毅力號(hào)的能源保溫。
2021 年 4 月 3 日，機(jī)智號(hào)無人機(jī)彩色相機(jī)拍攝的首張照片，此時(shí)機(jī)智號(hào)還在火星車底，照片中拍到了火星車兩個(gè)輪子。
但機(jī)智號(hào)還是要脫離毅力號(hào)完成飛行任務(wù)的。在拋掉保護(hù)罩，緩慢展開，并將六塊鋰離子電池充滿之后，機(jī)智號(hào)被放置在了火星表面上。放下機(jī)智號(hào)后，毅力號(hào)盡快駛離。接下來機(jī)智號(hào)依靠著它上方的太陽能板和內(nèi)部的電池順利撐過了火星寒冷的夜晚。
毅力號(hào)駛離機(jī)智號(hào)。
蟄伏 2 個(gè)月，歷經(jīng)數(shù)次拖延，并進(jìn)行了一場火星上的軟件升級(jí)，機(jī)智號(hào)終于完成了首飛任務(wù)。
在接下來的飛行計(jì)劃中，毅力號(hào)還將會(huì)把鏡頭對準(zhǔn)機(jī)智號(hào)，以提供更多機(jī)智號(hào)在火星上的飛行照片。此外，毅力號(hào)還將在機(jī)智號(hào)飛行過程中嘗試錄音，如果可能的話，還會(huì)拍攝視頻。
機(jī)智號(hào)首飛成功背后的默默「貢獻(xiàn)者」
Ingenuity 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止 JPL 的 6000 位成員，來自世界各地的開源工作者都為 Ingenuity 的飛行做出了重要貢獻(xiàn)。
事實(shí)上，GitHub 上有近 12000 名開發(fā)人員通過開源為 Ingenuity 的軟件做出了貢獻(xiàn)。然而，就像第一張黑洞的圖片一樣，這些開發(fā)者中的大多數(shù)甚至都沒有意識(shí)到他們幫助了第一架火星直升機(jī)的飛行。
Ingenuity 直升機(jī)在其導(dǎo)航計(jì)算機(jī)上運(yùn)行嵌入式 Linux 分布。其中許多軟件都使用了 JPL 的開源飛行控制框架 F Prime（F?），并使用 C++ 編寫。同時(shí)，在從地面控制到飛行建模再到數(shù)據(jù)處理，Python 生態(tài)系統(tǒng)都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
F Prime 框架：https://github.com/nasa/fprime
大約有 12000 人為 Ingenuity 用到的開源軟件的代碼、文檔、設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)。為了表彰這些貢獻(xiàn)者，GitHub 在他們的個(gè)人資料上添加了一種新的徽章。
GitHub 開發(fā)者關(guān)系高級(jí)總監(jiān) Martin Woodward 說：「許多獲得徽章的人可能并不知道他們的軟件被用來在另一顆星球上駕駛直升機(jī)。我們希望確保每位貢獻(xiàn)者都能受到認(rèn)可。」
參考鏈接：
https://ujoy.net/topics/2989590
http://sh.people.com.cn/n2/2021/0420/c138654-34684352.html
http://www.xinhuanet.com/tech/2021-02/19/c_1127115655.htm
https://finance.sina.com.cn/tech/2021-04-20/doc-ikmxzfmk7831763.shtml
https://t.cj.sina.com.cn/articles/view/1850988623/v6e53d84f01900vlqs