27億美元的毅力號成功登陸火星,還帶了一架1%大氣密度也能飛的無人機
2021年02月19日18:57

原標題:27億美元的毅力號成功登陸火星,還帶了一架1%大氣密度也能飛的無人機

機器之心報導

機器之心編輯部

曆經近 7 個月、約 5 億公里的漫長旅行之後,NASA「毅力號」火星車終於抵達了它的目的地 - 火星,併成為了繼 2 月 10 日阿聯酋希望號、中國天問一號之後,又一個抵達火星的探測器。

去年 7 月底,機器之心報導了。

如今,「毅力號 」火星車在被送上軌道的近 7 個月後,終於成功在火星著陸。

據資料顯示,「毅力號」是有史以來最大、最為複雜的火星探測系統,這台次世代火星車造價高達 27 億美元,總重 1025 千克。它是自阿聯酋希望號、中國天問一號之後,人類在這個「火星季」發射的第三個探測器。但是,阿聯酋的希望號探測器只是一顆火星人造衛星,而中國天問一號仍在火星軌道,而「毅力號」採取了直接降落火星的方式。「毅力號」的著陸地點位於火星赤道以北的耶澤羅撞擊坑(Jezero crater),其中心座標為(18.41°N, 77.69°E)。在此處著陸的主要目的是識別和收集該地區的沉積岩和土壤樣本,並探索可能存在的火星生命跡象。
圖源:NASA 和 J.P.L。成功著陸火星之後,「毅力號」先後發回了兩張火星表面的圖像。
「毅力號」著陸火星全過程作為人類目前最重的火星探測器,「毅力號」火星車長 3 米、寬 2.7 米、高 2.2 米,重量達到 2,260 磅(約 1 噸)。因此,著陸火星並不容易,它沒有選擇首先進入軌道,而是借助一個直徑超 70 英呎的降落傘直接著陸。
「毅力號」火星車火星著陸概念圖。圖源:NASA

著陸火星的全過程主要分為以下幾個步驟:巡航階段分離、「毅力號」抵達火星附近、接觸火星大氣、經曆「黑色七分鐘」、打開降落傘、噴氣背包(jetpack)點火並釋放「毅力號」、噴氣背包飛到遠處自毀。

NASA 毅力號火星探測器(NASA’s Perseverance Mars Rover)官方推特全程演示了「毅力號」火星車著陸火星的過程:

首先完成巡航階段分離( cruise stage separation),「毅力號」抵達火星附近。

抵達火星大氣層頂部,這時離著陸還有七分鐘。
進入火星大氣層,經過熱量峰值(peak heating)和減速(deceleration),機動瞄準著陸目標。
打開降落傘(parachute),再次減速。此時速度約為 1500 千米 / 小時、海拔高度約為 11 千米。
丟掉防熱罩(heat shield),此時離著陸還有兩分鐘。
鎖定雷達,打開攝像機,尋找安全的著陸點。
點燃噴氣背包的引擎,此時離著陸還有不到一分鐘。
最終,噴氣背包釋放「毅力號」火星車,並使其成功著陸,宣告此次火星著陸任務完美結束。
1% 的大氣也能飛的無人機除了探測器「毅力號」,NASA 為它配備的無人機同樣備受關注。
這架無人機由 NASA 噴氣推進實驗室(JPL)著手設計,重量僅為 1.8 公斤,高 0.5 米,螺旋槳直徑 1.2 米,裝在探測器的腹部,主要用於拓展火星車的視野。

而這項任務的重要性和價值在於證明直升機有可能在火星上飛行,並收集有利於下一代火星旋翼飛機的數據。

如果成功這將是人造飛行器在地球以外的星球的首次飛行,或將開闢一條新的太陽系探索之路。

那麼此次飛行最大的難點在於哪裡?氣壓。

雖然火星表面的重力大約只有地球的 1/3 (38%),看起來有利於無人機飛行,但有一點非常致命:火星大氣的密度只有地球的 1%。由於幾乎沒有空氣流動,在火星上獲得起飛所需的升力是非常困難的。

因此這要求飛行器必須是超輕的,而且螺旋槳的轉速要非常快。

據報導,這架無人機螺旋槳旋轉角速度可達 2400 轉每分鐘,水平移動的速度為 10 米每秒,爬升速度為 3 米每秒。相比之下,一架傳統直升機每分鐘的轉速僅為 450 到 500。

在導航傳感器上,無人機使用手機級 IMU、激光測高儀以及向下的 VGA 攝像機進行單眼特徵跟蹤。導航時,無人機逐幀比較幾十個特徵,以跟蹤相對位置找出方向和速度。這些都是通過位置估計來完成的,而不是記住特徵或創建地圖。
從下方看此無人機,包含激光測高儀和導航攝像機。最後,機器之心告訴讀者們一件有趣的事:這也是 NASA JPL 的工程師們第一次在火星上飛行基於 Linux 系統的無人機。該火星無人機的運行代碼也已在 Github 上開源。
參考鏈接:

https://www.nytimes.com/live/2021/02/18/science/nasa-mars-landing#what-will-the-rover-do-on-mars

https://spectrum.ieee.org/automaton/aerospace/robotic-exploration/nasa-designed-perseverance-helicopter-rover-fly-autonomously-mars

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