机智号

机智号（），也称“小机灵”（，是一台火星无人直升机 Mars Helicopter Scout . video presentation at Caltech ，是第一架“在另一个星球上进行动力控制飞行”的飞行器。在火星2020任务中用来进行飞行技术验证，它可以提供目前轨道卫星或地面探测车和着陆器无法提供的独特视角。为探测器或人类提供高清晰度图像和侦察，并使探测车能够进入难以到达的地形。

机智号在着陆后约60天从毅力号腹下分离，并于2021年4月3日部署。  与毅力号分离后将开展为期30天的飞行测试，飞行高度距地面3至5米，飞行距离可达300米（980英尺），每次飞行不超过三分钟，最多飞行五次。Mars Helicopter Technology Demonstrator . (PDF) J. (Bob) Balaram, Timothy Canham, Courtney Duncan, Matt Golombek, Håvard Fjær Grip, Wayne Johnson, Justin Maki, Amelia Quon, Ryan Stern, and David Zhu. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), SciTech Forum Conference; January 8–12, 2018, Kissimmee, Florida.  机智号可以在飞行中进行自主控制，每次降落后，它将直接与毅力号通信。 机智号的首次试飞时间定在2021年4月19日上午3:15 EDT（7:15 UTC），網路直播則在三小時之後的6:15 EDT（10:15 UTC）進行。 机智号的首飞试验获得成功，这是人类首次实现飞行器在其他星球的受控飞行。

机智号在30个火星日（约31个地球日）的窗口期内执行后续4次试飞任务。任务团队将通过獨創号验证在火星大气层飞行所需要的技术，为筹备未来机器人或人类探索火星时携带的先进飞行器打下基础。这些直升机将能在未来的探测任务中担任辅助角色，例如：作为机器人侦察员，从上方勘测地形或作为独立科学飞行器来携带仪器。至2022年4月29日，已超過執行28次任務，然而原訂5月3日展開的第29次飛行，機智號首次與NASA失去聯繫。目前已恢復通訊並確認異常原因，但隨著火星冬季即將到來前景開始變得險峻。

2024年1月25日，美國太空總署（NASA）宣布，在火星的無人直升機「機智號」（Ingenuity）因為旋翼損壞，無法再執行飛行任務而退役。机智号共在火星执行了72次飞行任务，积累了2小时8分48秒飞行时间，并完成了超过17千米的飞行。

 命名 
在面向全美国K-12年級學生开展徵文及命名大賽后，该设备最终在28000份提名中采用了由阿拉巴馬州諾斯波特市17歲女高中生雲妮莎·魯巴尼（Vaneeza Rupani）提名的“Ingenuity”Alabama High School Student Names NASA's Mars Helicopter, NASA News April 29,2020。该名称中译有獨-{}-創号、机-{}-智号、心灵手巧/聪明才智号等。

设计
+机智号飞行参数 螺旋桨转速最高2400rpm叶片尖端速度<0.7马赫飞行时长飞行一次90秒最大飞行距离无线电信号最远距离飞行最高海拔飞行最大速度电池功率
从2014年到2019年，喷气推进实验室的工程师们逐渐地证明有可能制造出一种重量轻、能够在火星稀薄大气中产生足够的升力，并能够在类似火星环境中生存的飞机，并在喷气推进实验室的模拟器上测试了越来越先进的型号。


任务
机智号设计初衷是为了验证无人直升机飞行技术，用于评估是否可以在火星或其他星球表面上安全飞行，并为探测车提供线路规划，从而为任务提供更多信息。 

火星无人直升机的设计目的是为探测车提供清晰的地表图像，其分辨率约为轨道卫星图像的十倍。这可以让探测车没有任何监控死角。这种技术可以使探测车每次安全行驶的距离提高三倍。Review on space robotics: Toward top-level science through space exploration  (PDF). Y Gao, S Chien - Science Robotics, 2017.

机智号安装在毅力号火星车的腹下，并在着陆后60至90火星日（）部署到火星表面。在试飞开始前，毅力号将行驶大约100米（330英尺）拉开距离。"NASA's Mars Helicopter: Small, Autonomous Rotorcraft To Fly On Red Planet" . Shubham Sharma, International Business Times. 2018-5-14. 

仪器
机智号无人直升机含有4个特殊碳纤维制成的旋翼叶片，长度达1.2米（4英呎）。此外，机智号上还装备有电脑、导航传感器以及两台照相机（一台彩色照相机，一台黑白照相机）。Heading Estimation via Sun Sensing for Autonomous Navigation . Parth Shah. 2017.虽然它是一架飞机，但它的构造符合航天器的规格，可以承受发射时的重力加速度和振动。其内部加热器也能让它在寒冷的夜晚保持正常的工作温度。其他一些附加输入设备包括陀螺仪，视觉里程计，倾斜传感器，高度计和危险探测器并将使用一块太阳能电池板为电池充电。 

机智号的外壳内部是由二氧化碳（CO2）填充的隔温层。由于重量等因素，设计团队放弃了使用气凝胶作为隔热层。
280x280px|机智号结构图 -1 螺旋桨能在火星稀薄大气中飞行 -2 太阳能电池提供电池充电的能量 -3 高分辨率照相机能够拍摄离探测车较远的照片 -4 照相机和其他传感器相互关联并通过计算来实现自主控制 -5 有弹性的着陆架通过相机和高度计来实现软着陆 -6 二氧化碳气体提供良好的隔温，能使电池在火星环境正常工作 -7 直升机在UHF波段与探测车通信|缩略图

 导航 
由于火星两极的磁场不一致，无法使用指南针进行导航，因此将通过相机跟踪估计速度，从而实现视觉导航。

计算
机智号的主要计算引擎使用高通骁龙处理器，Linux操作系统，以及美国国家航空航天局開源的F'（F Prime）飛行軟體框架。  在其他功能中，通过从相机跟踪的特征得出速度的估算值控制视觉导航算法，由高通处理器连接到两个飞行控制微控制器单元（MCU）上，来实现自主飞行的功能。

 通信 
无人直升机与探测车的通信功能是通过使用低功耗的ZigBee无线电链路通信协议和安装在探测车和无人直升机中的900MHzSiFlex02芯片组来实现的。该通信系统用于在最远1000米（3300英尺）的距离上以250kbit/s的速度传输数据。Mars Helicopter Technology Demonstrator . (PDF) J. (Bob) Balaram, Timothy Canham, Courtney Duncan, Matt Golombek, Håvard Fjær Grip, Wayne Johnson, Justin Maki, Amelia Quon, Ryan Stern, and David Zhu. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), SciTech Forum Conference; January 8–12, 2018, Kissimmee, Florida.  

电池
机智号的電池容量为35～40Wh，其中1/3的电量用于飞行，其余2/3的电量用于仪器保温。若排除仪器保温时的电量消耗，理论上光伏板仅需一天就能充满电池。正是因为夜晚需要为仪器供热，机智号最佳起飞时间是当地的上午11点，否则将会出现电池电量耗尽无法提供仪器保温的风险。

初步测试
2019年，在地球上模拟火星大气和重力条件下测试了机智号的初步设计。

在飞行试验中，用一个大真空室模拟出火星气压——由于火星的大气层密度仅地球大气的1%，极其稀薄，很难为直升机足够升力，在这种极低气压下起飞相当于一架直升机在地球大气层中飞行10万英尺（3万米）。为了模拟火星的重力场，用一条向上拉的线抵消了地球62％的引力。

着陆
机智号无人机已于美国东部时间2021年2月18日下午3时55分随着毅力号降落在火星的耶泽罗撞击坑上。
 飞行 
由于火星大气非常稀薄，飞行面临很大的挑战，在降落后，机智号的首次飞行曾数次推迟。美国东部时间2021年4月19日，美国国家航空航天局在推特上发布消息，称“机智号完成了它的第一次飞行——动力飞机在另一个星球上的第一次飞行。”按计划，火星车将监控直升机的飞行过程，并将拍到的图片和数据传回地球。2021年4月22日，机智号成功地完成了它在火星的第二次飞行，飞行时间一共持续了51.9秒。

2021年5月7日，美国宇航局公布机智号在火星上第四次飞行时的声音，这是人类首次在地外星球上录制航天器发出的声音。

 飞行记录 
机智号的第1到5次飛行為技術展示階段，第6次飛行以後為操作展示階段。而其在第10次飛行時探索了凸脊區域，第12和13次飛行時在南賽塔拍攝許多圖像，為毅力號火星車團隊蒐集許多資訊。

飛行紀錄：+No.日期（UTC）时长（秒）最大飞行高度水平飞行距离最高水平速度起飛地點降落地點飛行目的簡介12021年4月19日 07:3439.13公尺0公尺0公尺/秒 萊特兄弟機場 技術展示thumb|right|upright=.50為首次在另一個星球上進行動力控制飛行。懸停時，它按照計劃原地旋轉 96 度。 飛行數據於 11:30 收到。22021年4月22日 09:3351.95公尺4公尺0.5公尺/秒thumb|right|upright=.50短暫懸停後，其飛行控制系統命令機智號以 5 度輕微傾斜，橫向飛行 2 公尺。隨後逆時針旋轉，將彩色相機指向各個方向拍照。最終飛回起飛地點並降落。32021年4月25日 11:3180.35公尺100公尺2公尺/秒thumb|right|upright=.50首次飛行到離部署點有一定距離的地方。機智號以每秒 2 公尺的速度向南飛行 50 米，停下來盤旋，然後返回並降落在出發點。 42021年4月29日 因為軟體沒有轉換到飛行模式，第四次飛行首次嘗試失敗。2021年4月30日 14:49116.95公尺266公尺3.5公尺/秒 萊特兄弟機場 技術展示thumb|right|upright=.50在離起飛地最遠處懸停時拍攝彩色圖像。毅力號火星車在飛行中錄下了機智號的聲音和影片，使機智號成為第一個在地球外被錄製聲音的探測器。52021年5月7日 19:26108.210公尺129公尺2公尺/秒萊特兄弟機場機場Bthumb|right|upright=.50第一次在新地點降落的航程，降落於萊特兄弟機場南方 129 公尺的機場 B 。這次飛行是技術技術展示的最後一次飛行。62021年5月23日 5:20139.910公尺215公尺4公尺/秒機場B機場C前往南賽塔thumb|right|upright=.50在飛行 54 秒後，第一段航線接近尾聲時，導航圖像處理系統出現故障。 一張照片被刪除，隨後帶有不正確時間戳的圖像導致飛行器前後傾斜高達 20 度，功耗急劇上升。 在關閉導航攝像頭並使用 IMU 飛行後，機智號才恢復正常飛行，最終成功降落在距計劃地點約 5 公尺處。72021年6月6日 因為軟體沒有轉換到飛行模式，第七次飛行首次嘗試失敗。2021年6月8日 15:5462.810公尺106公尺4公尺/秒機場C機場D 前往南賽塔thumb|right|upright=.50飛往新的著陸點：機場 D 。為了防止第六次飛行時的故障再次發生，該飛行沒有使用彩色相機。82021年6月22日 0:2777.410公尺160公尺4公尺/秒機場D機場Ethumb|right|upright=.50著陸點距離毅力號火星車約 133.5 公尺（438 英尺）。 與上一次飛行一樣，彩色相機已關閉，等待軟件更新。92021年7月5日 9:03166.410公尺625公尺5公尺/秒機場E機場Fthumb|right|upright=.50向西南方向飛過賽塔——位於傑澤羅撞擊坑的預期研究地點。導航系統在設計上假定是地面是平坦的，但賽塔的沙丘有高低起伏，因此導航產生偏差，於離半徑 50 公尺的計劃著陸區中心 47 公尺處著陸。102021年7月24日 21:07165.412公尺233公尺5公尺/秒機場F機場G探索凸脊區域thumb|right|upright=.50直升機飛過包括起降地在內共 10 個航點，起降點之間的距離約為95米。112021年8月5日 4:53130.912公尺383公尺5公尺/秒機場G機場H（南賽塔區域）前往南賽塔thumb|right|upright=.50該飛行將機智號部署在適合前往南賽塔拍攝照片的區域：機場 H 。在機場 H 的起飛次數、停放時間（3 個月，從 8 月 5 日到 11 月 6 日）、相關飛行時間（481.8 秒）、飛行距離（1069 公尺）皆僅次於萊特兄弟機場。122021年8月16日 12:57169.510公尺450公尺4.3公尺/秒 機場H（南賽塔區域） 探索南賽塔thumb|right|upright=.50該飛行冒險進入地質奇特的南賽塔地區。機智號起飛後飛至 10 公尺高，並向東北偏東方向飛行約 235 公尺，飛向科學家對南賽塔感興趣的區域。 到達後，直升機將進行 5 米的「側步」，以拍攝適合建構 3D 模型地表的照片，然後原路返回。飛行過程中總共拍攝了 10 張彩色照片，提供毅力號團隊十分有價值的參考。132021年9月5日 00:10160.58公尺210公尺3.3公尺/秒thumb|right|upright=.50再次飛往南賽塔，並將鏡頭以與第十二次飛行相反的方向拍攝照片。該飛行為較低的 8 公尺高，以拍攝更清晰的照片。142021年10月24日 8:1823.05公尺2公尺0.5公尺/秒飛行測試thumb|right|upright=.50因為火星進入大氣密度較低的季節，機智號的必須以更高的葉片轉速飛行，甚至超越在地球上所做所有的測試。 9月15日，2,800 rpm 旋轉測試成功，確定該轉速不會造成共振。隨後9月18日嘗試飛行，但因設備異常而取消。9月21日和23日均進行測試，成功排除異常，但因即將進入行星日凌（Solar conjunction）期間，因而再度延後飛行。最終於10月24日完成飛行，成功驗證機智號的葉片可使用 2700 rpm 的高旋轉速度飛行。</div>152021年11月6日 16:22128.812公尺407公尺5公尺/秒機場H（南賽塔區域）機場F 返回著陸點thumb|right|upright=.50為返回著陸點附近的一系列飛行中的第一個飛行。於凸脊區域降落。162021年11月21日 2:09107.910公尺116公尺1.5公尺/秒機場F機場Jthumb|right|upright=.50降落在南賽塔地區邊緣。172021年12月5日 12:25116.810公尺187公尺2.5公尺/秒機場J機場Kthumb|right|upright=.50沿著第九次飛行的路徑反方向飛過南賽塔。由於 Bras 山丘和毅力號的放射性同位素熱能發電機（MMRTG）阻擋，機智號和毅力號之間的通信在降落期間距離地面大約 3 公尺處中斷。12月9日，研究團隊確認機智號為直立狀態，安然無恙。12月14日，機智號傳回的數據表示最後的降落過程成功完成，狀況良好。182021年12月15日 17:27124.310公尺230公尺2.5公尺/秒機場K機場Lthumb|right|upright=.50沿著第九次飛行的路徑反方向飛過南賽塔。原本計畫降落在機場 E （第九次飛行的起飛處），但因視覺導航沒有足夠的地表特徵可供參考，誤認該地區有會影響降落的岩石，而降落在沙質地形的機場 L 。隨後團隊更新軟體，以避免過早著陸的情況再度發生。192022年12月底到2022年2月初 由於沙塵暴接近傑澤羅撞擊坑，第十九次飛行延後，為首次因天氣因素導致飛行器在地球以外的天體上的飛行延後。直到一個多月後，大氣恢復正常，機智號才恢復沙塵暴前的發電能力。2022年2月8日 04:2199.810公尺63公尺1公尺/秒機場L機場E 返回著陸點thumb|right|upright=.50機智號飛出南塞塔盆地，到達主高原，降落在機場 E 。降落前，機智號轉向將近 180 度，以便將其彩色相機對準三角洲地區，以便未來飛行。202022年2月25日 13:35130.310公尺391公尺4.4公尺/秒機場E機場Mthumb|right|upright=.50機智號回到奧克塔維婭·埃·巴特勒著陸場附近。隨後，機智號將開始向西北方向飛過賽塔地區，前往三角洲的三叉地區（Three Forks）。212022年3月10日 22:10129.210公尺370公尺3.85公尺/秒機場M機場N 前往三角洲thumb|right|upright=.50為前往三角洲附近的一系列飛行中的第一個飛行。222022年3月20日 4:06101.410公尺68公尺1公尺/秒 機場Nthumb|right|upright=.50為前往三角洲附近的一系列飛行中的第二個飛行。由於不明原因，機智號僅飛行約 70 公尺，而非計畫的 350 公尺。232022年3月24日 6:44129.110公尺358公尺4公尺/秒機場N機場Pthumb|right|upright=.50為前往三角洲附近的一系列飛行中的第三個飛行。飛行過程十分複雜，例如為避開山丘執行約 90 度的急轉彎等。242022年4月3日 12:4969.510公尺47公尺1.45公尺/秒 機場Pthumb|right|upright=.50由於大氣密度逐漸增加，機智號於此飛行開始回歸以葉片原本的轉速飛行（2,537 rpm）。此飛行為短程飛行，目的是為第二十五次飛行直接飛離賽塔地區做準備。同時，該飛行之日為機智號部署一週年。252022年4月8日 16:40161.310公尺704公尺5.5公尺/秒機場P機場Qthumb|right|upright=.50機智號至今為止距離最長、速度最快的飛行。機智號於此次飛行飛出賽塔地區。任務團隊特地選擇了一條避開毅力號「再入、下降、著陸系統」（EDL）的路徑，避免機智號的高度計和導航系統出錯。262022年4月19日 1:321598公尺360公尺3.8公尺/秒機場Q機場R拍攝 EDL 照片thumb|right|upright=.50機智號拍攝了毅力號著陸過程中拋棄的背殼及降落傘撞擊地面後產生的碎片。272022年4月23日 4:11152.910公尺307公尺3公尺/秒機場R機場S探索福騰嶺thumb|right|upright=.50機智號拍攝了毅力號團隊十分感興趣的福騰嶺（Fortun Ridge）區域。282022年4月29日 7:44152.410公尺418公尺3.6公尺/秒機場S機場T前往三角洲thumb|right|upright=.50該飛行為2022年4月的第五次飛行，為進入操作展示階段後，飛行頻率最高的一個月。 5月3日，由於氣溫過低及電量不足，機智號與毅力號失聯。5月5日時恢復通訊。292022年6月11日 15:0666.610公尺179公尺5.5公尺/秒機場T機場U冬季試飛thumb|right|upright=.50由於氣溫過低，導致傾角儀故障無法使用，機智號使用慣性測量單元（IMU）代替其功能。該飛行為機智號首次不使用傾角儀飛行，也是首次在火星的冬季飛行。302022年8月20日 12:3833.35公尺2公尺0.5公尺/秒 機場U沙塵暴後試飛thumb|right|upright=.50沙塵暴季節後的首次飛行，也是兩個多月以來的首次飛行。目的為測試機智號在長時間不飛行後是否仍能準確地飛向目標地點。312022年9月6日 23:3155.610公尺97公尺4.75公尺/秒機場U機場V 前往三角洲thumb|right|upright=.50前往三角洲一帶。322022年9月18日 6:4655.310公尺94公尺4.75公尺/秒機場V機場Wthumb|right|upright=.50前往三角洲一帶。332022年9月24日 11:1555.210公尺111公尺4.75公尺/秒機場W機場Xthumb|right|upright=.50飛行過程中，機智號的腳架上有一小塊異物碎片，該碎片並沒有影響到飛行，但來源不明。342022年11月23日 01:2518.35公尺0公尺0公尺/秒 機場X軟體更新後飛行測試第四次軟體更新後的飛行測試。為了能在地形崎嶇的三角洲地帶飛行，機智號更新了導航功能，包刮降落時可以進行危險規避，以及利用數值地形模型（digital terrain model，DTM）降低飛行誤差等。352022年12月3日 08:2652.014公尺15公尺3公尺/秒 前往三角洲繼續前往三角洲一帶。362022年12月10日 12:5760.510公尺110公尺5.5公尺/秒thumb|right|upright=.50繼續前往三角洲一帶。372022年12月17日 17:3455.210公尺62公尺3公尺/秒機場X機場Y繼續前往三角洲一帶。飛行資料來源

 图片 
 影片 

 火星试飞 

飛行影片

机智号拍摄的照片

 自拍照 

 参考文献 

另见
火星2020
火星2020時間軸
好奇号
机遇号
毅力号

外部連結

 NASA Mars Helicopter webpage 
 Mars Helicopter Technology Demonstrator . (PDF) – The key design features of the prototype drone.
 Mars 2020 official site 

Category:2020年航天
Category:火星探测器
Category:火星2020
Category:美國太空總署太空探測器
Category:喷射推进实验室