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機(jī)智號(hào)（Ingenuity）是美國(guó)毅力號(hào)火星車(chē)搭載的小型無(wú)人直升機(jī)，也是首架在其他行星飛行的直升機(jī)。由美國(guó)一高中生命名。機(jī)智號(hào)總重1.81公斤，寬約1.2米，由4片槳葉、天線、太陽(yáng)能電池板、航空電子設(shè)備、傳感器和攝像頭、四個(gè)著陸架以及電池組成。

機(jī)智號(hào)于2020年7月30日搭載在毅力號(hào)上，在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。2021年2月18日，機(jī)智號(hào)搭載毅力號(hào)于15時(shí)55分許在火星赤道以北的耶澤羅隕石坑著陸。2021年4月19日，機(jī)智號(hào)直升機(jī)在火星完成首飛。2024年1月25日，NASA發(fā)表聲明稱，機(jī)智號(hào)于1月18日第72次飛行期間多個(gè)旋翼葉片在著陸過(guò)程中受到損壞，無(wú)法再飛行；并宣布機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)在超額完成原計(jì)劃的飛行次數(shù)后，已經(jīng)正式結(jié)束其在火星上的任務(wù)。機(jī)智號(hào)最初設(shè)計(jì)為在30天內(nèi)進(jìn)行最多5次實(shí)驗(yàn)性測(cè)試飛行的技術(shù)演示，但其最終在火星運(yùn)行了近三年，進(jìn)行了72次飛行，累計(jì)飛行時(shí)間約128.8分鐘，高度高達(dá)78.7英尺（24.0米），累計(jì)飛行距離10.5英里（17.0公里）比原計(jì)劃遠(yuǎn)14倍多。

機(jī)智號(hào)的飛行是人類設(shè)計(jì)的飛行器在另一個(gè)星球的首次制動(dòng)飛行。它是人類太空探索史上的一個(gè)里程碑事件。任務(wù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)機(jī)智號(hào)驗(yàn)證在火星大氣層飛行所需要的技術(shù)，將為研發(fā)未來(lái)機(jī)器人或人類探索火星時(shí)攜帶的先進(jìn)飛行器打下基礎(chǔ)，使其他先進(jìn)的機(jī)器人飛行器成為可能。

項(xiàng)目歷程

任務(wù)目標(biāo)

機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性技術(shù)測(cè)試，主要目標(biāo)是試驗(yàn)這種航空器在火星上飛行的實(shí)際效果，證明其在稀薄的火星大氣（該大氣層僅占地球大氣層密度的1％）中可以實(shí)現(xiàn)自主、受控飛行，為今后使用航空器在其他行星開(kāi)展探測(cè)進(jìn)行先鋒式的技術(shù)驗(yàn)證。機(jī)智號(hào)的任務(wù)本質(zhì)上是實(shí)驗(yàn)性的，完全獨(dú)立于火星探測(cè)車(chē)的科學(xué)任務(wù)。計(jì)劃在30天的演示窗口內(nèi)，最多會(huì)嘗試5次試飛。

研制過(guò)程

2014年，美國(guó)航空航天局(NASA)開(kāi)始研制機(jī)智號(hào)，位于南加州的NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的工程師們知道，在火星稀薄的大氣環(huán)境中理論上是可以飛行的，但是沒(méi)人能確定他們是否能夠制造出，既可以在其質(zhì)量的極端限制下實(shí)現(xiàn)自主升力飛行，同時(shí)還能抗得住火星“至寒”夜晚的直升機(jī)。由于火星大氣層的密度比地球大氣密度低99％，因此機(jī)智號(hào)必須輕巧，轉(zhuǎn)子葉片要比其在地球上所需的轉(zhuǎn)子葉片更大，旋轉(zhuǎn)速度也要快得多。同時(shí)，火星在毅力號(hào)的降落點(diǎn)夜間溫度可低至零下90攝氏度，低溫將抬高機(jī)智號(hào)使用的現(xiàn)成零件的原始設(shè)計(jì)極限。在這個(gè)溫度下的地面測(cè)試雖然表明各部件均沒(méi)問(wèn)題，但該團(tuán)隊(duì)希望在火星上進(jìn)行真正的測(cè)試。

2014年至2019年的艱苦謹(jǐn)慎的摸索過(guò)程中，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的工程師證明，有可能制造出重量較輕，能夠在火星稀薄的大氣層中產(chǎn)生足夠升力，并能夠在類似火星的環(huán)境中生存的飛機(jī)。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室的特殊空間模擬器中逐步測(cè)試了更高級(jí)的模型。在2019年1月，機(jī)智號(hào)直升機(jī)通過(guò)了最終飛行評(píng)估。

名稱由來(lái)

2019年，為激發(fā)全美青少年對(duì)航天任務(wù)的興趣，美國(guó)航空航天局于秋季舉行為美國(guó)下一代火星探測(cè)車(chē)“火星2020”正式命名的比賽。全美共有2.8萬(wàn)名中小學(xué)生投稿。

2020年3月，航天局宣布選中Perseverance-毅力一詞作為下一代火星車(chē)“火星2020”的正式名稱。此后，航天局又從候選詞條中選出了火星直升機(jī)的名稱Ingenuity-機(jī)智。機(jī)智號(hào)這一名字來(lái)自美國(guó)亞拉巴馬州諾斯波特的高中生瓦妮扎·魯帕尼的提議。

基本設(shè)計(jì)

槳葉

NASA在機(jī)智號(hào)上采用了共軸反轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)，同時(shí)使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)速度幾乎為每分鐘3000轉(zhuǎn)。旋翼系統(tǒng)使用4片由碳纖維特殊材料制造的槳葉，旋翼直徑為1.2米，上下旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，抵消了扭矩，能夠在火星稀薄的大氣層中提供升力。使用共軸反轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了直升機(jī)的結(jié)構(gòu)，有利于折疊放置在火星探測(cè)車(chē)腹部；共軸反轉(zhuǎn)旋翼具備較好的抗側(cè)風(fēng)性能，懸停效率較高，可對(duì)抗火星上可能出現(xiàn)的陣風(fēng)。其中機(jī)智號(hào)旋翼葉片上的斜盤(pán)組件能夠通過(guò)反復(fù)驅(qū)動(dòng)清除灰塵和沙子。

天線

在機(jī)智號(hào)太陽(yáng)能電池板頂上的一個(gè)小的突起是小型二極管，可以與毅力號(hào)火星車(chē)或者火星軌道器直接通信并通過(guò)他們實(shí)現(xiàn)與地球之間的數(shù)據(jù)傳輸。

太陽(yáng)能電池板

用于給電池充電，機(jī)智號(hào)可自行利用太陽(yáng)能電池板充電。

航空電子設(shè)備

機(jī)智號(hào)的航空電子設(shè)備（或稱“大腦”）可以幫助直升機(jī)運(yùn)行和導(dǎo)航；機(jī)智號(hào)搭載的是一塊手機(jī)芯片驍龍801。機(jī)智號(hào)使用民用芯片成本相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，因?yàn)樵撝鄙龣C(jī)只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)飛行，不參與重要科研任務(wù)。

直升飛機(jī)有夜間生存的加熱裝置，機(jī)身外表有隔熱層和加熱器，為內(nèi)部的設(shè)備抵御火星寒冷的夜晚。機(jī)智號(hào)能夠在火星寒冷的夜晚實(shí)現(xiàn)溫度的自主調(diào)整。

傳感器和攝像頭

機(jī)智號(hào)和基站使用UHF電信鏈路（900MHz）相互通信。該系統(tǒng)可以以每秒250KB的速度在最遠(yuǎn)3,300英尺（1,000米）的距離內(nèi)中繼數(shù)據(jù)。在飛行過(guò)程中，單向數(shù)據(jù)流將從直升機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送到漫游車(chē)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后重新傳輸?shù)?a href="/hebeideji/7196471799734190132.html">地球。著陸后，直升機(jī)將重新傳輸飛行中的數(shù)據(jù)流和飛行中的其他數(shù)據(jù)。

傳感器可以獲知機(jī)智號(hào)當(dāng)前的飛行速度和方向，攝像頭充當(dāng)機(jī)智號(hào)的“眼睛”。機(jī)智號(hào)機(jī)身底部有一個(gè)黑白0.5百萬(wàn)像素的向下導(dǎo)航攝像頭；以及一個(gè)彩色1300萬(wàn)像素地平線地形攝像機(jī)位于機(jī)身底部邊緣。

著陸架

直升機(jī)的機(jī)體有四條著陸腿。使用超輕的碳纖維管制作而成，能夠提供足夠的支撐力。

電池

機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)由一套六個(gè)鋰離子電池系統(tǒng)供電，該系統(tǒng)每天通過(guò)位于其旋翼系統(tǒng)頂部的太陽(yáng)能電池板充電。太陽(yáng)能電池板陣列中的太陽(yáng)能電池針對(duì)火星上遇到的太陽(yáng)光譜進(jìn)行了優(yōu)化，儲(chǔ)存的能量用于在寒冷的火星夜晚為加熱器供電，以及在飛行操作中為直升機(jī)供電。直升機(jī)在最多90秒的飛行過(guò)程中消耗的功率約為350瓦。

性能參數(shù)

參考資料

任務(wù)執(zhí)行

登陸火星

2020年7月30日19點(diǎn)50分，機(jī)智號(hào)搭載在毅力號(hào)上，在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。

2021年2月18日，機(jī)智號(hào)搭載毅力號(hào)于美國(guó)東部時(shí)間18日15時(shí)48分許（北京時(shí)間19日4時(shí)48分許）進(jìn)入火星大氣層，在7分鐘內(nèi)完成進(jìn)入、下降和著陸，于15時(shí)55分許在火星赤道以北的耶澤羅隕石坑著陸。

2021年4月3日，機(jī)智號(hào)被毅力號(hào)由腹部部署到火星地面，4月4日，機(jī)智號(hào)順利度過(guò)在火星杰澤羅隕石坑的第一個(gè)夜晚（杰澤羅隕石坑夜間溫度可能低至零下90攝氏度）。4月8日，美國(guó)航空航天局的機(jī)智號(hào)直升機(jī)對(duì)其葉片進(jìn)行了緩慢旋轉(zhuǎn)測(cè)試，這是該任務(wù)的第48個(gè)火星日。

2021年4月18日，NASA宣布，機(jī)智號(hào)直升機(jī)的首飛將于4月19日舉行。NASA預(yù)計(jì)，4月19日將進(jìn)行無(wú)人直升機(jī)火星首飛的時(shí)間大概是美東時(shí)間3點(diǎn)30分（北京時(shí)間15時(shí)30分）。NASA稱，這種“前所未有”的直升機(jī)操作非常危險(xiǎn)，但表示它可以獲得關(guān)于火星條件的寶貴數(shù)據(jù)。

飛行記錄

2021年4月19日，美國(guó)航空航天局機(jī)智號(hào)直升機(jī)在火星完成首飛。首次飛行持續(xù)約40秒，其中懸停30秒，被美國(guó)航空航天局（NASA）稱為“火星上的萊特兄弟時(shí)刻”。4月22日機(jī)智號(hào)完成了第二次飛行，并拍下了一張機(jī)智號(hào)在杰澤羅隕石坑表面的陰影圖像。5月7日，美國(guó)航空航天局公布了機(jī)智號(hào)在火星上第四次飛行時(shí)的聲音，這是人類首次在地外星球通過(guò)探測(cè)器錄制另一架航天器發(fā)出的聲音。次日，機(jī)智號(hào)完成了第五次火星飛行。凌晨3點(diǎn)26分，機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)從火星表面的“萊特兄弟機(jī)場(chǎng)”起飛，在爬升至距離地面約10米高后向南飛行了129米的距離，隨后順利降落在了新著陸點(diǎn)。

2021年5月27日，美國(guó)機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)完成在火星上的第6次飛行。由于飛行過(guò)程中導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)生故障，機(jī)智號(hào)遭遇大幅度的持續(xù)晃動(dòng)，所幸最終安全著陸。7月5日，機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)完成了第九次飛行，它以5米/秒的速度飛行了166.4秒。

2021年7月5日，機(jī)智號(hào)完成了第九次飛行，并在飛行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了火星上“凸起的山脊”。

2021年7月21日，機(jī)智號(hào)完成了第十次飛行，它起飛后，先是爬升至40英尺（12米）的新紀(jì)錄高度。然后，直升機(jī)進(jìn)行了四次航向改變，并用旋翼機(jī)的彩色相機(jī)拍攝了10張照片，并用其中兩張圖像組成了3D圖像，為漫游者團(tuán)隊(duì)在計(jì)劃科學(xué)活動(dòng)的下一步時(shí)提供了更豐富的視角。

2021年8月16日，機(jī)智號(hào)完成了第12次飛行，并在飛行過(guò)程中拍攝了火星杰澤羅隕石坑“南塞塔”地區(qū)的沙丘、巨石和巖石露頭。

2022年3月12日，美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室宣布，機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)在火星上完成第21次飛行。這架小型旋翼飛機(jī)以每秒3.85米的速度飛行了370米，在空中停留了129.2秒。

2022年3月22日，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室宣布，機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)上周末完成第22次飛行，飛行時(shí)間101.4秒，最高飛行高度10米。根據(jù)美國(guó)航空航天局的記錄，自2021年4月成功首飛以來(lái)，機(jī)智號(hào)在火星已累計(jì)飛行超40分鐘（約2430秒）。

2022年4月18日，美國(guó)航空航天局機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)上的導(dǎo)航攝像頭拍攝的視頻顯示，該直升機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)紀(jì)錄的第25次飛行。它以2,310英里/小時(shí)（每秒12米）的最高速度覆蓋704英尺（5.5米），是迄今為止旋翼機(jī)最長(zhǎng)、最快的飛行。

2022年4月19日，機(jī)智號(hào)完成了第26次飛行，并在26 英尺（8 米）的高度拍下了毅力號(hào)火星探測(cè)車(chē)后殼、超音速降落傘和相關(guān)碎片的圖像。

2022年4月23日，機(jī)智號(hào)完成了它的第27次飛行，并在飛行過(guò)程中拍攝了火星杰澤羅隕石坑古老河流三角洲附近的山脊線的完整圖像。

2022年5月3日，機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)因電力不足與美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的直升機(jī)飛行控制團(tuán)隊(duì)失去聯(lián)系。隨后，控制團(tuán)隊(duì)命令“毅力號(hào)”火星車(chē)暫停所有正在進(jìn)行的科學(xué)活動(dòng)一整天，專心聆聽(tīng)機(jī)智號(hào)的呼叫。24小時(shí)后，控制團(tuán)隊(duì)聯(lián)系上了機(jī)智號(hào)直升機(jī)。

2022年7月16日，因現(xiàn)在是機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)所在地區(qū)的冬天，空氣中的灰塵更多，可用來(lái)幫助機(jī)智號(hào)電池充電的陽(yáng)光更少。據(jù)預(yù)測(cè)，塵埃水平會(huì)在7月下旬消退，因此該團(tuán)隊(duì)決定讓機(jī)智號(hào)直升機(jī)休息幾周，以便重新建立其日常充電狀態(tài)。根據(jù)天氣狀況，預(yù)計(jì)機(jī)智號(hào)將在8月初左右回到空中。

2022年10月2日，機(jī)智號(hào)已經(jīng)度過(guò)了一個(gè)艱難的冬天，并重新開(kāi)始飛行，最近完成了自2021年2月與毅力號(hào)探測(cè)器一起登陸火星以來(lái)的第33次飛行。10月4日，據(jù)《印度快報(bào)》報(bào)道，美國(guó)航空航天局的火星無(wú)人直升機(jī)機(jī)智號(hào)最近的一次飛行中，發(fā)現(xiàn)有東西卡在了它的“腳”上。

2022年11月23日，機(jī)智號(hào)完成了第34次飛行，此次飛行是機(jī)智號(hào)在更新軟件功能“著陸時(shí)避險(xiǎn)和使用數(shù)字高程圖幫助導(dǎo)航”后飛行，此軟件更新增加了著陸時(shí)的危險(xiǎn)規(guī)避功能。

2022年12月3日，機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)進(jìn)行了在火星的第35次飛行，并且創(chuàng)造了一個(gè)新的飛行高度紀(jì)錄。

2023年1月13日，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）發(fā)布推文，表示美國(guó)航空航天局的機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)成功完成第39次飛行，在空中停留時(shí)間為79秒。4月13日，美國(guó)宇航局的機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)已經(jīng)完成了在火星上的第50次飛行。，在145.7秒內(nèi)飛行了1,057.09英尺（322.2米）。這架直升機(jī)還創(chuàng)下了59英尺（18米）的新高度記錄，然后在半英里寬（800米寬）的“貝爾瓦隕石坑”附近降落。

2023年4月26日，機(jī)智號(hào)在火星的杰澤羅撞擊坑的地表完成了第52次飛行，然后就失去了信號(hào)。2023年6月30日，美國(guó)航空航天局官方宣布，機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)在6月28日通過(guò)其機(jī)器人伙伴——毅力號(hào)火星車(chē)與地球的操作人員取得了聯(lián)系。這是自4月26日以來(lái)，機(jī)智號(hào)首次與地球聯(lián)絡(luò)。

2023年12月22日，機(jī)智號(hào)完成了第70次飛行，在第 70 次飛行中，“機(jī)智號(hào)”滯空 132 秒，飛行了超過(guò) 260 米，并且在飛行過(guò)程中捕捉到了火星丘波紋的畫(huà)面。

任務(wù)結(jié)束

2024年1月18日，機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)在完成第72次飛行后，在著陸前與地球失去了聯(lián)系，直升機(jī)下降了大約1米。美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2024年1月25日，美國(guó)航空航天局（NASA）發(fā)表聲明，宣布機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)在超額完成原計(jì)劃的飛行次數(shù)后，已經(jīng)正式結(jié)束其在火星上的任務(wù)。聲明稱，機(jī)智號(hào)最初設(shè)計(jì)為在30天內(nèi)進(jìn)行最多5次實(shí)驗(yàn)性測(cè)試飛行的技術(shù)演示，但其最終在火星運(yùn)行了近三年，進(jìn)行了72次飛行，飛行距離比原計(jì)劃遠(yuǎn)14倍多。據(jù)聲明表示，機(jī)智號(hào)于1月18日第72次飛行期間多個(gè)旋翼葉片在著陸過(guò)程中受到損壞，無(wú)法再飛行。

主要成果

歷史意義

機(jī)智號(hào)的飛行是人類設(shè)計(jì)的飛行器在另一個(gè)星球的首次制動(dòng)飛行。它是人類太空探索史上的一個(gè)里程碑事件。

機(jī)智號(hào)直升機(jī)的首飛意義不亞于萊特兄弟首次在地球上試飛人造飛行器，將為人類探索宇宙的方式帶來(lái)新“利器”。

機(jī)智號(hào)的成功，會(huì)帶來(lái)重大變革性影響。如果人類能夠在大氣稀薄的火星上依托空中飛行方式進(jìn)行科學(xué)考察，當(dāng)然可以在太陽(yáng)系的許多其他星球上，如土衛(wèi)六或金星上進(jìn)行考察，動(dòng)力飛行在太空探索的未來(lái)是真實(shí)而強(qiáng)大的。

機(jī)智”號(hào)的技術(shù)將使其他先進(jìn)的機(jī)器人飛行器成為可能。這些飛行器可能會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)的火星機(jī)器人和人類深空探測(cè)任務(wù)中。它們可以提供當(dāng)前高空飛行的軌道飛行器或地面上的火星探測(cè)車(chē)和著陸器無(wú)法提供的獨(dú)特視點(diǎn)，可以為機(jī)器人或人類提供高清圖像和偵察，并可以訪問(wèn)火星車(chē)難以到達(dá)的地形。

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