火星直升机「机智」号成功起飞，实现人类首次地外受控飞行，有哪些重要意义？ 第1页

机智号成功首飞！时隔118年人类在又一颗行星实现飞行梦想！

1903年12月17日，地球。莱特兄弟驾驶着比空气重的“飞行者一号”飞机，实现了在地球大气中持续且受控的动力飞行，人类从此进入飞行时代。飞机极大拓展了人类四肢能够延展的空间，推动人类进入全球化时代。

人类飞行器两次划时代意义的突破（图源：公共版权）

2021年4月19日，火星。在预装软件控制下，“机智号”直升机在火星大气中完成了30秒悬停，这是人类飞行器首次在地外天体大气中持续且受控的动力飞行，标志着人类深空探测进入崭新的“飞行”时代。

一、承前启后：人类火星探测的新维度

火星是地球的近邻，是颗类地行星，与地球有着相似的演化历史与未来。这里有大气、水、有机物的存在，表面积与地球陆地总面积接近，各类资源丰富。它处在太阳系内宜居带上，关于火星生命的探寻一直是探测焦点之一。因此，这里也集中了人类对行星际空间探测的技术极致。

机智号为人类新增了一种火星探测技术方案（图源：作者绘制）

在机智号出现之前，共有四种火星探测方案。惊鸿一瞥的“飞掠”，登高望远的“环绕”，观天测地的“降落”和自由移动的“巡视”，整体难度越来越大。

其中，“飞掠”任务仅是早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用。环绕器能全方位研究火星和中继信号，但无法详细研究火星表面；着陆器能仔细研究火星表面的各种细节，但无法移动；巡视器（火星车）可以随处移动，但速度略慢，例如好奇号火星车在着陆9年内才爬行了25.1千米，平均每天行驶距离还不足8米。

按照任务复杂度和实际预算对比，常规任务的逻辑基本是“环绕的比不过着陆的，着陆的比不过巡视的”。而机智号成功后，则有能力为这个逻辑再加一句“巡视的比不过飞行的”。因为它能在3-5米的空中飞行，最大水平速度可以达到10米/秒，单次飞行往返距离可达100米级别，远超火星车的能力范围。

这是火星探测前所未有的新技术，大幅拓展了研究空间尺度和可获取的信息量。毅力号火星车和机智号直升机组合，也代表了火星探测的新高度。

二、乘风而起：超级集成机身，超强动力系统

前往火星是第一道难关。不过机智号并不是个独立任务，它主要依托于毅力号火星车，在前往火星之旅中它处于折叠状态并被保护起来，牢牢固定在毅力号底部，毅力号通过“脐带”为它提供能量和技术支持。在确认测试区域后，机智号才展开并被释放到火星表面，与毅力号仅通过天线保持无线沟通。

抵达火星后，处于折叠状态（左）和展开待释放状态（右）的机智号（图源：NASA）

火星表面白天气温可以超过20摄氏度，夜晚时可以低到100摄氏度以下，昼夜温差巨大。火星的磁场极弱，抵御强烈宇宙辐射的效果近乎为零，辐射环境复杂。早在火箭发射和着陆火星阶段，机智号还要面对剧烈的振动和冲击。因此，能顺利踏上火星表面并独立生存的机智号，可谓已经经历过重重磨难的洗礼。

在火星上飞行并非易事，最大挑战在于火星表面的空气密度和气压还不足地球表面的1%，且变动较大，这相当于地球在约30千米高度的大气状态。而在地球上，珠穆朗玛峰的高度就已经是直升机的飞行禁区。为此，科学家们需要解决一系列棘手的问题。

机智号火星直升机的大致组成（图源：NASA+作者注释）

首先，要尽可能减轻重量，这是任务成功的关键，对于要携带众多核心结构和仪器的机智号也是最大的挑战。小小的机智号上，需要很多必备部件。例如，一片用以获取能量的太阳能电池板，两对用来提供足够升力、直径达1.2米的碳纤维旋翼和驱动电机，六块用以储存太阳能和给所有仪器设备供电的特制锂离子电池，一个装载所有核心处理设备、温控系统和控制系统等的机身，一台高清相机等科研仪器，一个通信天线，一套融合了惯性传感器、太阳敏感器、视觉里程计、导航相机和激光高度计等的复杂导航系统，以及四条支撑腿等核心结构。它还要高度智能，因为地火距离导致的通信时延使得人类不可能控制它飞行。

所有的设计都必须做到尽量轻、强度高、耐冲击、耐振动、耐温差、耐辐射，最后的机智号被“浓缩”为整体质量仅有1.8千克的“小不点”，是科研人员们“绞尽脑汁”的成果。考虑到它8500万美元独立预算，平均每克的成本高达4.7万美元/克，是黄金单价的近1000倍！

动图：在正式飞行测试前，机智号已经进行了旋翼旋转测试并被毅力号记录下来（图源：NASA）

其次，要尽可能获得大且稳定的升力。机智号的碳纤维旋翼被设计成了共轴反转式系统，这种设计传动系统更加简单，可以回避掉常规直升机必须携带的尾桨，再加上可折叠设计，让占用的体积空间大幅减少。同时，共轴旋转的转动惯量小，抗侧风能力更强，悬停和飞行状态更加稳定，非常适合机智号的应用需求。不过这些设计还是不够，“天下武功，唯快不破”，它需要大幅增加转速以满足升力需求。它的设计转速高达2400转/分，极限情况下甚至可以做到更高，这已经远超地球上直升机的旋转速度。

预计飞行效果图（图源：NASA）

不过，这里如果要写个致谢，首要功臣还应该是火星。它表面的引力加速度仅为地球的38%左右，这让机智号的重量仅相当于在地球上0.7千克物体对应的重量，这是它能飞起来的核心原因。

三、科学目标：技术测试为主，为未来任务带来希望

机智号身背诸多“人类首次”。最核心的使命是完成技术测试，预计在任务期间内完成5次飞行任务，为火星探测和地外天体探测探索新的技术维度。因此，它的科学研究功能并不复杂，主要聚焦于拍摄高分辨率地面图像，发回毅力号。由于近乎贴地飞行，它核心科学相机拍摄的彩色图片覆盖范围更广、分辨率更高，对于了解毅力号周边环境有很大意义，相当于为它赋予了一双“火眼金睛”。然而，仅5次飞行任务，还包括首飞的短期悬停测试，可想而知并不能真正提升毅力号的研究能力。飞行期间，毅力号还要聚焦于它，为它留下火星飞行的美丽合影。

未来的蜻蜓号泰坦探测器，将完全颠覆人类对地外天体探测的技术途径（图源：NASA）

这次测试任务的成功，不仅彻底打开了人类对于火星探测的技术发展空间，也为其他带有大气层的地外天体探测开辟了新思路，甚至可能成为主要探测方式。例如，泰坦是土星最大的卫星，那里有着稠密的氮气和甲烷主导的大气，惠更斯号着陆器曾经在2005年实现了着陆的伟大壮举。在未来的任务规划中，美国宇航局（NASA）已经确定了“蜻蜓号”任务，它就是个纯粹的飞行器，利用旋翼飞行系统探索泰坦的大气和地表，预计收获的科研价值远超定点着陆器。人类所熟知的金星，是个大气密度远超地球的地方，飞行器也是探测它的最佳方案之一。此外，木星、土星、天王星、海王星，也都拥有浓密大气层，未来的探测器设计思路，也会被这次火星飞行测试成功所影响。

机智号也携带着118年前“飞行者一号”前辈的火星飞行梦想（图源：NASA）

让人欣慰的是，科学家们也把一份极致的浪漫通过机智号带到火星。机智号太阳能电池板下的一条电缆上，覆盖的是一小片“飞行者一号”机翼上覆盖用的蒙皮。时隔118年后，它见证了人类飞行梦想在另一颗星球的起飞。未来，人类的星辰大海之旅还将见证越来越多的飞行奇迹。

这些珍贵的探测器，不仅为人类延展了四肢，让我们能跨越时空触碰这些星球。还为人类延展了大脑，让我们时刻憧憬着星辰大海的梦想。

出品：科普中国

制作：太空精酿

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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首飞成功啦！

北京时间2021年4月19日下午3:31左右，一架名叫机智号的无人机在火星上完成首次试飞，成为首个在地球以外的星球上御风飞行的人造物体。

由于数据传输的不可抗力，焦急万分的地球人在三个多小时后才等来了这个令人激动万分的喜讯。

这架花费8500万美元的无人机的故事，还要从它如何来到火星说起。

一、搭“顺风车”来火星

2020年的火星发射窗口里，NASA将一辆名叫毅力号的火星车送往火星，和它一起出发的，还有这架机智号无人机。

着陆火星，凶险异常，可怜瘦小又柔弱的机智号自己显然是搞不定的，只能靠抱毅力号火星车的“大腿”了。

为了把首个火星无人机安全带上火星，毅力号项目组可以说是操碎了心。工程师把机智号小心折叠起来，牢牢固定在毅力号火星车底，又罩上保护罩。

就这样，机智号无人机搭上毅力号火星车的顺风车，被一同塞入气动外罩内，发射前往火星。

“老母亲”毅力号经过6个半月的漫长飞行来到火星附近，又经过“恐怖七分钟”，于2021年2月18日着陆火星表面。机智号无人机也随之来到了这颗红色星球。

着陆30天后的3月21日，毅力号火星车从车底抛下了保护罩，驱车前往机智号的起落场。

毅力号机械臂顶端的紫外拉曼光谱仪夏洛克配套的相机华生拍摄的车底（更多关于夏洛克和华生这对搭档仪器的介绍，详见：NASA毅力号启程奔赴火星，本届火星季圆满落幕） | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA24448

这是毅力号就近物色的一片平坦、无障碍物的区域，机智号接下来的试飞，就将从这里起飞和降落。

不过，没有了工程师的现场帮助，机智号和“母体”分离的过程相当精细而漫长。

二、这个“孩子”，生了八天

工程师们给机智号设计了一套“自行解绑”的流程。

1）解锁无人机与火星车之间的绑定装置（毅力号着陆后的第36个火星日完成）

2）通过自旋摆动，解放半边机身，展开其中两条腿（第37个火星日完成）

3）继续旋转直至机身完全垂直（第38个火星日完成）

4）展开剩下两只腿（第39个火星日完成）

5）充电（第39-43个火星日完成）。展开全部四条腿之后，无人机处于距火星表面13厘米的悬空状态，“头顶”和毅力号火星车的“腹部”依然保持连接，由毅力号通过“脐带”为机智号太阳能板的6块锂电池充满电——这也是机智号最后一次从“母体”获取能源，一旦切断连接，它就只能靠自己获取太阳能和保温了。

6）分离（第43个火星日完成）。切断无人机顶部和火星车“腹部”的连接，火星车迅速开走，让无人机尽快沐浴在阳光下充电。

至此，无人机和火星车的“解绑”流程终于全部完成。

但下一个挑战才刚刚开始：着陆区杰泽罗撞击坑一带夜间温度低达零下90℃，能轻而易举地冻坏无保护的电路原件和电池等部件，刚刚切断“脐带”的无人机能否在恶劣的火星环境下独自存活下来？产房外的工程师们紧张万分（bushi）

2021年4月4日，第44个火星日来临，机智号传回了好消息。这个坚韧的小家伙顺利度过了首个火星夜晚，证明了自己完全具备自主充电、防寒、保暖的能力。

接下来，就是机智号在火星大展身手的时候了。

三、火星起飞，唯快不破

然而，在火星起飞可太难了。

尽管火星表面重力加速度只有地球的三分之一，但这点优势在火星稀薄的大气面前微不足道。火星表面大气压仅有地球的0.6%，在这样的星球上开无人机，如何起飞就是最大的难题。

机智号的应对之法也很直接：首先是桨叶尽量长，但自身尽可能轻小。整个机智号仅重1.8公斤，总长1.2米的桨叶采用了轻质的碳纤维泡沫材料，仅有一个纸巾盒大小的机身主体里满满当当地塞了电池、中央计算机、惯导、激光测高计、倾斜计、加速度计、陀螺仪和两个相机这一大堆仪器 [2,3]，堪称空间管理大师。

在尽可能压缩自身质量体积的基础上，接下来就是暴力破解了：天下武功，唯快不破，机智号项目组通过反复计算和试验，摸索出了能提供足够火星升力所需的无人机转速。

试验证实，模拟火星环境中的桨叶转速达到2277转/分钟以上时，机智号的无人机模型能稳定完成起飞、上升、悬空、平移、旋转和返回等一系列操作。

2018年1月30日，机智号项目组在喷气动力实验室（JPL）的7.6米尺寸空间模拟舱室开展的机智号无人机模型飞行测试 | JPLraw [4]

由此看来，项目组最终把机智号的飞行转速定在2400转/分钟左右，首飞转速设为2537转/分钟，应当是很有把握能在火星飞起来的了。

不过别着急，剪完“脐带”的机智号也不是立马就飞的，毕竟这么贵的无人机，可不得小心翼翼地仔细检查几遍嘛。飞炸了可就不好玩了。

四、小心测试，不行就延

机智号原计划于北京时间4月12日上午10:54首飞[5]，但这个计划时间可能因为各种原因而推迟。

从分离到首飞期间，项目组会对无人机的旋翼、驱动电机、惯导等设备进行测试，并根据毅力号的火星气象站（MEDA）实时测量的气压、风速等一系列气象数据做出气象预报，评估合适的起飞条件和时机。

然后…… 它就真的因为测试出了问题而延期了…

4月7日，机智号顺利解锁了旋翼[6]。

4月8日，机智号顺利完成了50转/分钟的旋翼慢速旋转测试 [6]。

但4月9日，机智号的旋翼高速旋转测试出了点问题，于是首飞被延期到了4月14日之后 [7]。

传回的数据显示无人机本身没啥事儿，只是项目组需要升级一下飞行软件…NASA表示升级也不难，就是跨星球上传指令和测试比较慢…嗯，想象一下，一位程序员熬夜向火星上传代码的画面…

4月16日，再来一次的旋翼高速旋转测试，总算是顺利完成了。

这次，机智号计划在不早于北京时间4月19日下午15:31左右首飞 [8]——如果各项测试和检核过关，气象条件也合适的话。

这次，真的飞了。

五、五次试飞，难度加码

由于地火通讯的延迟，远在地球的工程师无法真实“操纵”无人机的飞行，所有的操作和判断都要靠无人机自主完成。机智号的任务窗口为30个火星日（也就是约31个地球日），在此期间，项目组共策划了至多5次飞行测试。

首飞任务最为简单。完成飞前检查之后，机智号将在起落场启动旋翼，在12秒内把转速0从升至计划的2537转/分钟，然后花大约6秒时间飞到3米高处，悬停约30秒，下降，回到起落场。

机智号的机身底部安装了激光高度计（LiDAR）和导航相机，帮助无人机探知自身的位置和高度，确保首飞稳定停留在起落场中央而不飞偏 [6]。

除了可以垂直向下拍摄低分辨率黑白照片（50万像素）的导航相机，机智号底部还安装了另一个彩色相机，能以一个倾斜向下的角度拍摄高分辨率照片（1300万像素，四舍五入都快赶上你的智能手机了呢…）。

这些仪器在试飞过程中获取的工程数据和拍摄的火星表面照片，将在无人机降落之后通过火星车传回地球，供项目组分析和还原无人机的飞行状况。

传回的数据显示，说飞3米高就飞3米高，机智号是靠谱的~

虽然只是简单的起和落，但机智号首飞的意义最为重大。哪怕仅仅是稳定地在火星上空悬停几十秒，这也将是人类深空探索史上的里程碑，重要性堪比一百多年前莱特兄弟“飞行者一号”（Wright Flyer）的首次飞行——事实上，机智号的这次首飞也被NASA称为火星上的“莱特兄弟时刻”[5]。

如果首飞成功，接下来的至多4次飞行测试将逐步提升难度和复杂度，尝试飞得更高（5米）、更远（60米），甚至可能不返回起落场，而是降落在新的目标点上 [9]。

这些载入史册的场面，毅力号火星车当然不会错过，必须活跃在吃瓜最前线。装备着相机和麦克风的毅力号已经驶达距起落场65米开外的“观景区”，届时它将作为首位“火星前线记者”，为我们带来literally有声有色的机智号飞行报道。

机智号没有携带任何科学仪器，它的核心目标是验证无人机在一颗遥远星球上保温、充电、自主飞行、拍照等诸多技术。

不过，如果测试顺利、照片质量够好的话，机智号拍摄的照片也有可能为毅力号火星车的科学探测和行驶提供指导。当然，这些都是锦上添花的事了。

六、火星上的一小步，太阳系的一大步

在机智号试飞的一个月里，毅力号会停留在观景区一带，作为通讯中转站为机智号和地球传递信息。这是火星上属于机智号的一个月。

待到整个试飞期结束后，毅力号才会正式开始火星探索之旅，向它的目标——杰泽罗撞击坑中的三角洲驶去。

随着火星车越开越远，机智号终将被永远抛在身后，它的电池会耗尽、信号会丢失，最终成为一座被风沙掩埋的小小纪念碑，永远停留在它最后一次降落的地方。

不过，机智号并不孤单，和它相伴的，还有一块来自莱特兄弟“飞行者一号”的蒙皮布。这块邮票大小的蒙皮布被包裹在机智号太阳能电池板下的电缆上，将和机智号一同矗立在火星上，纪念着人类首次挑战火星无人机飞行的壮举，也一同宣示着，

2026年，NASA的另一艘无人机任务蜻蜓号将动身前往土星最大的卫星——土卫六泰坦。这是目前太阳系中已知的唯一一颗拥有稠密大气层的卫星，想必在这里开无人机，会比火星容易许多吧。

终有一天，无人机会成为人类探索其他星球的重要补充手段：探测器们将不仅能环绕着星球探测，或是在固态星球上着陆驰骋，还将能在火星、木卫六这样有一定大气的星球上御风而行，用无人机开拓我们的探测视野。

而这样“科幻”的未来，就是在这样一个平平无奇的周一下午开始走进现实的。

参考资料

[1] Video | Testing the Mars Helicopter Delivery System

https:// mars.nasa.gov/resources /25081/testing-the-mars-helicopter-delivery-system/

[2] https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/

https://www. jpl.nasa.gov/news/press _kits/ingenuity/landing/mission/

[3] Golombek, M., Balaram, J., Maki, J., Williams, N., Grip, H., & Aung, M. (2020, March). Mars Helicopter on the 2020 Rover Mission. In Lunar and Planetary Science Conference (No. 2326, p. 2096).

[4] JPLraw | NASA Ingenuity Mars Helicopter Testing Media Reel

https://www. youtube.com/watch? v=nAQxNd3uBN0

[5] NASA's Mars Helicopter to Make First Flight Attempt Sunday

https:// mars.nasa.gov/news/8915 /nasas-mars-helicopter-to-make-first-flight-attempt-sunday/

NASA Ingenuity Mars Helicopter Prepares for First Flight

https://www. jpl.nasa.gov/news/nasa- ingenuity-mars-helicopter-prepares-for-first-flight

[6] NASA’s Mars Helicopter to Make First Flight Attempt Sunday

https://www. jpl.nasa.gov/news/nasa- mars-helicopter-to-make-first-flight-attempt-sunday

[7] Mars Helicopter Flight Delayed to No Earlier than April 14

https:// mars.nasa.gov/technolog y/helicopter/status/291/mars-helicopter-flight-delayed-to-no-earlier-than-april-14/

[8] NASA to Attempt First Controlled Flight on Mars As Soon As Monday

https://www. nasa.gov/press-release/ nasa-to-attempt-first-controlled-flight-on-mars-as-soon-as-monday

[9] Science | In a first, NASA’s helicopter will fly over Mars next month

https://www. sciencemag.org/news/202 1/03/first-nasa-s-helicopter-will-fly-over-mars-next-month

先说结论：机智号的飞行成功是人类电子工业发展的里程碑，代表着航天技术和民用技术融合大发展的开始。

机智号最大的意义是回答了这样一个问题：我们是否可以使用廉价的消费电子元件进行地外行星探索任务？

问这个问题是因为，机智号无人机的控制系统使用了一个惊人的方案：高通2015年基于手机芯片Snapdragon开发的无人机飞控平台，量产成本400美元以内。