艾琳·克洛茨（卡納維拉爾角），蓋伊·諾里斯（科羅拉多泉）

在飛行測試期間，“機智”號在火星稀薄大氣中正常飛行，飛控系統(tǒng)運行良好；面對極端低溫環(huán)境，電池、電子元器件等零部件耐低溫性能表現(xiàn)較優(yōu)異。這是一次開拓性、高風險技術驗證任務，美國國家航空航天局為此耗資8500萬美元。

2021年4月19日，一架小型太陽能共軸式無人直升機“機智”號（Ingenuity）在火星杰澤羅隕石坑（Jezero Crater）完成首次動力飛行，成為美國國家航空航天局(NASA)“火星科學直升機”（Mars Science Helicopter，MSH）項目的新壯舉。在“毅力”（Perseverance）號火星車太陽能電池板下面，藏著一塊郵票大小的布料，它取自萊特兄弟“飛行者”飛機的機翼，以此向117年前人類首次成功演示動力飛行表示敬意。

載運方式與著陸區(qū)域

圖1 “機智”號被掛在“毅力”號車身底部（左圖），由一個凸起的防護箱封裝（右圖）。

“機智”號被掛在“毅力”號車身底部，由太空殘骸防護箱封裝，在未脫離“毅力”號火星車之前，“毅力”號放射性同位素溫差發(fā)電器（RTG）電力系統(tǒng)為其供電。2021年2月18日，“毅力”號采用傘降、火箭反推懸停、空中吊車投放著陸技術在杰澤羅隕石坑降落，最終將“機智”號運抵火星。杰澤羅隕石坑是美國國家航空航天局指定的著陸地點，直徑為45km，那里堆積有一片扇形的沉積物，稱為三角洲，據(jù)說過去曾有水流入湖泊，一度填滿了這個盆地。

“毅力”號的任務

為探尋過去微生物的生命跡象和完成多個在軌航天器的系列任務，“毅力”號會用2年時間尋找、采集并封裝至少20個樣品，在2031年之前由其他航天器帶回地球。同時，“毅力”號火星車為“機智”號研究團隊提供通信、拍攝和氣象預報工作，當“機智”號30個火星日(Sol)飛行測試期結束后，“毅力”號將從支持“機智”號技術驗證任務轉向它的主要科學任務。據(jù)悉，一個火星日是24小時39分鐘35.244秒。

“機智”號的飛行測試地點

工程師完成著陸地點圖片分析后，指派“毅力”號對一個相對平坦、無巖石的區(qū)域進行勘測，即圖2中的機場?！皺C智”號在該機場開展飛行測試。

圖2 美國國家航空航天局偵察型火星軌道飛行器拍攝的圖片顯示，方形區(qū)域為機場。

“機智”號的主要任務

美國國家航空航天局的目標任務是，研究、評估和驗證太陽能無人直升機在火星（或除地球外任何有大氣層的星球）飛行應具備的技術。“機智”號只須在火星飛行一次就可滿足該目標任務要求。

圍繞“火星科學直升機”項目，美國國家航空航天局專門開發(fā)了一套適合旋翼機在火星低密度大氣中運行的飛行控制系統(tǒng)?！皺C智”號概念驗證的主要任務是測試該飛控系統(tǒng)，這是一項開拓性、高風險技術驗證任務，由“機智”號與“毅力”號火星車協(xié)同完成。

技術特點

構型設計

“機智”號是一種共軸式無人直升機，具有兩副反向旋轉的雙旋翼，帶有4片槳葉，每個旋翼直徑為1.22m，其轉速可達2400rpm。

“機智”號無人直升機重量僅1.8kg，機身約為一個紙巾盒大小，由4根支架支撐，每根支架由碳纖維復合材料制成，支架長度是38cm。

“機智”號最大飛行距離為300m，從起飛到降落，該機最大飛行時間是90s，這是其電池電量耗盡前所有可用的飛行時間。

能源與動力系統(tǒng)

由于火星大氣中的氧氣含量極低，吸氣式內(nèi)燃機或渦輪發(fā)動機方案不可行。盡管工程師正在研究自增壓雙組元推進劑燃燒系統(tǒng)、小型核動力裝置等未來概念，但“機智”號以太陽能為能源，采用可充電鋰離子電池供電，仍被認為是火星近期和中期科學任務的最佳選擇。

圖3 “機智”號無人直升機結構示意圖。

一個太陽能電池陣列板安裝在“機智”號無人直升機旋翼系統(tǒng)頂部，每天可為6塊鋰電池充電，已儲存電能的鋰電池在夜間為加熱器供電，并為“機智”號飛行提供電能。“機智”號在熱真空艙和在火星著陸后都能正常工作，而且在沒有火星車的幫助下，也能在火星成功降落并生存，打消了之前外界對其太陽能電池板性能和電池尺寸的懷疑。

成功挑戰(zhàn)稀薄大氣

美國國家航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）的科學家和工程師在地球反復進行了飛行模擬試驗，最終成功制造出這架小型太陽能無人直升機，它不僅能在火星稀薄的大氣中飛行，也能在極端低溫環(huán)境中生存。

相關資料顯示，地球大氣密度為1.225kg/m3，火星平均大氣密度僅為0.02kg/m3，約為地球的1.6%?；鹦潜砻嫫骄鶜鈮褐挥?24Pa，大氣相當稀薄，約為地球的0.6%，而地球標準大氣壓是10132Pa。

火星大氣密度相當于距離地球地面30.48km處的大氣密度，30.48km的高度已遠超無人直升機在地球的最大飛行高度?！皺C智”號在火星飛行，相當于在距離地球地面30.48km的高度飛行。目前，無人直升機在地球從未飛過如此高的高度。

為彌補稀薄大氣產(chǎn)生的影響，美國國家航空航天局采用了共軸雙旋翼設計，與地球上空飛行的小型直升機典型轉速400～500rpm相比，“機智”號旋翼轉速高達2400rpm，比前者快5倍。在火星上，無人直升機旋翼轉速只有達到這個量值，才能產(chǎn)生足夠大的升力，確保無人直升機在火星稀薄的大氣中正常飛行。

理想情況下，美國國家航空航天局希望使用尺寸更大、旋轉速度更快的槳葉，但火星車自身承載能力對無人直升機總體尺寸有限制，所以槳葉尺寸不能太大。

圖4 太陽能電池板安裝在“機智”號旋翼系統(tǒng)的頂部。

旋翼翼尖速度會直接影響旋翼轉速。無人直升機在火星飛行，旋翼翼尖速度不會超過0.8Ma左右。這是由于火星大氣的主要成分是二氧化碳，火星大氣中的聲速僅為240m/s，而地球聲速是340m/s，這意味相對低的空速會產(chǎn)生壓縮性影響，必然會將無人直升機旋翼翼尖的最大速度限制在200m/s左右。如果高于這個速度，槳葉將發(fā)生失速或氣動彈性顫振，顫振是一種不穩(wěn)定的自激性結構振動，將損壞旋翼。

耐低溫性能驗證

火星溫度范圍是從極地溫度-104℃到赤道溫度21℃。降落區(qū)杰澤羅隕石坑的溫度可能低至-54℃，這對“機智”號的電子元器件和電池構成了威脅。

噴氣推進實驗室位于加州帕薩迪納市，該實驗室蒂姆·卡納姆（Tim Canham）先生主管“火星科學直升機”項目運營，他表示可通過熱模型了解火星夜晚的寒冷程度、加熱器須要運行多長時間，以及電池是否過度放電。但是，對“機智”號這種小型無人直升機進行熱建模，困難確實很大。

“機智”號無人直升機降落火星后，工程師們曾非常擔心它能否正常工作，能否熬過極端低溫的夜晚。但很快，“機智”號準時建立了無線通信傳輸，技術人員收到大量數(shù)據(jù)，顯示其無線電通信系統(tǒng)工作正常，無人直升機狀況良好，說明“機智”號在火星寒冷的夜晚具有較強的生存能力。

圖5 科研人員正在檢查“機智”號零部件。

“機智”號的機械零件、結構部件等只有在火星極端低溫下生存，才能保證其正常工作。為給各種零部件保溫，加熱器在夜間將消耗大量電能?！皺C智”號完成了首次飛行測試，說明其電力系統(tǒng)實現(xiàn)了低能耗。

大量測試和試驗奠定基礎

噴氣推進實驗室“火星科學直升機”項目首席工程師鮑勃·巴拉蘭（Bob Balaram）表示，為確保“機智”號無人直升機在火星正常飛行，噴氣推進實驗室的科研人員完成了所有測試工作，包括從機械裝置測試到太空艙中的測試，他們利用熱真空艙做了大量飛行試驗和機動性飛行測試，以驗證系統(tǒng)的性能和提前了解系統(tǒng)如何實現(xiàn)自主控制。

噴氣推進實驗室的熱真空艙長度為7.6m，用于模擬火星的稀薄大氣和低溫環(huán)境。在模擬火星大氣環(huán)境時，技術人員在熱真空艙中充入了二氧化碳氣體以代替空氣，同時建造了風墻，以模擬火星上的側風。

噴氣推進實驗室“機智”號首席工程師米米·昂（Mimi Aung）表示，通過在太空艙進行分析、建模和測試，科研人員在發(fā)射時已確信，“機智”號的火星飛行很可能取得成功。“機智”號在火星上運行良好，證明了噴氣推進實驗室的研制路徑選擇和“機智”號的構型設計非常正確。

火星重力加速度很低，僅為3.71m/s2，幾乎是地球的1/3，這是一個非常有利的條件。雖然技術人員在產(chǎn)品研制過程中不可能模擬這種低的重力加速度，但美國國家航空航天局已經(jīng)充分考慮了“機智”號在火星上幾乎所有可能遇到的環(huán)境場景。

飛行測試細節(jié)披露

按計劃，“機智”號無人直升機將開展為期30個火星日即31天的飛行測試。但是，美國國家航空航天局安排了多次飛行測試，實際飛行測試時間已超過30個火星日。

首飛時間推遲

“機智”號原定的首飛時間并不是4月19日，而是4月11日。因為4月9日“機智”號在進行旋翼高轉速測試過程中，其飛控軟件未能將飛行前模式轉換到飛行模式，因此首飛被迫推遲。美國國家航空航天局總部“火星科學直升機”項目計劃執(zhí)行官戴夫·拉弗里（Dave Lavery）表示，技術人員早在發(fā)射前就已編寫好飛控軟件，測試時已提前安裝于無人直升機。美國國家航空航天局檢查了運行過程，以判斷該問題是否在地球測試期間曾出現(xiàn)過，但未被發(fā)現(xiàn)，或者數(shù)據(jù)在測試期間因某種原因被掩蓋，或是在火星上才出現(xiàn)的新問題。隨后幾天，該局對“機智”號飛控軟件進行了遠程更新，最終修復了軟件問題。

圖6 首飛時，“機智”號機載攝像機拍攝的自身投影。

圖7 “機智”號在火星完成第2 次飛行，該圖片由“毅力”號拍攝。

圖8 “毅力”號拍攝的火星車和無人直升機。

拉弗里解釋說，雖然軟件問題的解決方法相對簡單，僅須重寫幾行代碼，但對于全部重新編寫的飛控軟件，必須由“毅力”號火星車傳給“機智”號，而兩者相距61m。在其他探測器和行星飛行任務中，美國國家航空航天局已成功完成多次軟件更新工作，但在火星任務中從未執(zhí)行過。盡管新版本軟件創(chuàng)建非常迅速，該局仍采取了非常謹慎的工作方式，即先進行運行測試，再逐步加載到運行中的一個軌道飛行器上，然后由軌道飛行器轉發(fā)給“毅力”號火星車，在火星車上重裝，最后傳給無人直升機。所有這些步驟必須非常明確和謹慎，且需要花費大量時間。

在軟件未出現(xiàn)問題之前，“機智”號進行旋翼高轉速測試期間，已完成一次旋翼低轉速50rpm測試。一旦軟件問題解決，唯一不確定的因素就是火星的實際飛行環(huán)境。因為火星環(huán)境中可能存在人類預測不到的因素，這種不可控因素將會影響飛行測試效果。美國國家航空航天局的科研人員對“機智”號按預期目標飛行充滿了信心，但是也對火星上可能出現(xiàn)的意外情況表示擔憂。

首飛成功

2021年4月19日，“機智”號首次在火星試飛成功，美國國家航空航天局收到“機智”號的第一組首飛數(shù)據(jù)，并進行了處理和分析。另外，該局也成功獲取了“機智”號首飛畫面。

“機智”號首飛是一次適度的飛行，演示了爬升、懸停、轉彎和受控的下降。為安全起見，首飛最大飛行高度為3m。

第5次飛行測試細節(jié)

在前4次飛行中，“機智”號位于機場區(qū)域。第1次僅為簡單的起飛和降落，第4次則在火星大氣中穿越飛行。

2021年5月11日，美國國家航空航天局公布了“機智”號第5次飛行細節(jié)?！皺C智”號離開第一個飛行測試區(qū)域即機場，飛向它的第二個測試地點，并等待“毅力”號火星車前往。在第5次飛行中，“機智”號首次完成兩個不同地點之間的起飛和降落，飛行高度達到10m。

第6次飛行測試出現(xiàn)異常

2021年5月28日，在第6次飛行中，因導航相機影像處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障，“機智”號出現(xiàn)異常，機體發(fā)生振動，險些造成“墜機”，但最終在預定地點安全著陸。因為“機智”號在飛行最后時刻，不再依靠視覺導航，調(diào)整了姿態(tài)，機體振動停止，使飛控系統(tǒng)保持足夠的穩(wěn)定性。

美國國家航空航天局表示，盡管出現(xiàn)了問題，但第6次飛行測試仍然成功。問題解決后，“機智”號將進行第7次飛行。

第7次飛行測試完成

6月8日“機智號”完成第7次飛行，飛行時間62.8s，向南飛行了106m，最后在一個新地點降落。

各種概念設計方案

“火星科學直升機”項目由噴氣推進實驗室和美國國家航空航天局艾姆斯（Ames）研究中心聯(lián)合研究，旨在為未來火星旋翼飛行器開發(fā)關鍵技術，該項目研究也會吸取“機智”號試驗中的教訓。在強大技術實力支撐下以及從“機智”號研制中獲得的經(jīng)驗，噴氣推進實驗室的科研人員對開辟火星探索的新領域充滿信心，相信改進型無人直升機能執(zhí)行火星車支援、樣品收集、航空測繪等任務，以及能對洞穴、峽谷等火星車無法進入的區(qū)域進行監(jiān)視。

三種飛行器概念方案

“火星科學直升機”項目的研究工作提出了三種飛行器概念，可供未來火星任務計劃參考。一種是小型先進共軸設計方案，其空機重量為4.5kg，尺寸和“機智”號無人直升機相同。另外兩種機型稍大，每臺空機重量約20kg，其中尺寸較大的概念飛行器也采用了共軸設計，其旋翼直徑為2.5m；另一臺是六旋翼飛行器。

邁克爾· 拉多維奇（Michael Radotich）是美國國家航空航天局艾姆斯研究中心“火星科學直升機”研究團隊的成員，也是一名學生。今年1月，他在垂直飛行學會（Vertical Flight Society）舉辦的自主垂直起降（VTOL）技術會議上說，即使是較小的共軸概念方案，也會顯著提升“機智”號的性能如航程、任務載荷重量和懸停時間。在不攜帶任務載荷情況下，“機智”號無人直升機的飛行時間是90s，而采用先進設計方案，在攜帶1.3kg任務載荷情況下，“機智”號飛行時間可增加一倍。如果攜帶更輕的任務載荷，“機智”號的飛行時間將更長，航程更大。該概念研究證明，美國國家航空航天局有能力讓無人直升機攜帶科學研究任務載荷在火星執(zhí)行任務。

科研人員必須考慮在所提議的地點執(zhí)行任務的難度，而無人直升機能從根本上改變?nèi)蝿针y度。例如，現(xiàn)在旋翼機能在巖石磷磷的區(qū)域、陡峭的懸崖和峽谷執(zhí)行任務。目前選址小組正在對科學研究目標和在各目標地點實施任務的難度進行權衡，從而幫助美國國家航空航天局總部縮小方案的選擇范圍并做出最終決定。如果未來火星任務有其他可選方案，旋翼飛行器的使用可能會發(fā)生改變。

更先進的概念設計方案

除了這些早期概念以外，科研人員一直在關注能滿足特定任務響應、更先進的概念設計。例如，一些先進概念機采用了傾轉旋翼設計，將具有更大的航程和續(xù)航時間，可對火星上4023m長的“水手”峽谷（Valles Marineris）等區(qū)域進行大范圍勘測。

在火星執(zhí)行飛行任務，須要重點考慮旋翼的控制系統(tǒng)設計和旋翼重量大小?！皺C智”號是太陽能無人機，由太陽能電池板采集能源，如果嘗試由機翼提供升力，并在機翼表面安裝太陽能電池板，可能會產(chǎn)生積極的效果。但是，在火星上這種機型進行飛行姿態(tài)轉換，可能會非常困難。

八旋翼無人機是另一種先進概念方案。由于火星大氣稀薄，無人機飛行需要盡可能大的旋翼面積，考慮到最大推力并兼顧裝入航天器減速傘裝置中方便運輸，這種構型是折中方案。美國國家航空航天局的一個設想是，將每個旋翼槳葉掃過的面積進行重疊，可節(jié)省空間。旋翼的高度與縱列式直升機相似，也可以將其設計為共軸式多旋翼甚至傾轉旋翼。

作為“火星科學直升機”項目技術驗證的先驅，“機智號”此次首飛成功，將為后續(xù)火星探測帶來更多可能。該項目任務還沒有完成，美國國家航空航天局正在推動“火星科學直升機”項目發(fā)展。