機智號

機智號（Ingenuity），也稱「小機靈」（Ginny，是一台火星無人直升機，是第一架「在另一個星球上進行動力控制飛行」的飛行器。在火星2020任務中用來進行飛行技術驗證，它可以提供目前軌道衛星或地面探測車和著陸器無法提供的獨特視角。為探測器或人類提供高畫質晰度圖像和偵察，並使探測車能夠進入難以到達的地形。

機智號在著陸後約60天從毅力號腹下分離，並於2021年4月3日部署。與毅力號分離後將開展為期30天的飛行測試，飛行高度距地面3至5米，飛行距離可達300米（980英尺），每次飛行不超過三分鐘，最多飛行五次。機智號可以在飛行中進行自主控制，每次降落後，它將直接與毅力號通信。機智號的首次試飛時間定在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。機智號的首飛試驗獲得成功，這是人類首次實現飛行器在其他星球的受控飛行。

機智號在30個火星日（約31個地球日）的窗口期內執行後續4次試飛任務。任務團隊將通過獨創號驗證在火星大氣層飛行所需要的技術，為籌備未來機器人或人類探索火星時攜帶的先進飛行器打下基礎。這些直升機將能在未來的探測任務中擔任輔助角色，例如：作為機器人偵察員，從上方勘測地形或作為獨立科學飛行器來攜帶儀器。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。機智號共在火星執行了72次飛行任務，積累了2小時8分48秒飛行時間，並完成了超過17千米的飛行。

## 命名

在面向全美國K-12年級學生開展徵文及命名大賽後，該設備最終在28000份提名中採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」。該名稱中譯有獨創號、機智號、心靈手巧/聰明才智號等。

## 設計

從2014年到2019年，噴氣推進實驗室的工程師們逐漸地證明有可能製造出一種重量輕、能夠在火星稀薄大氣中產生足夠的升力，並能夠在類似火星環境中生存的飛機，並在噴氣推進實驗室的模擬器上測試了越來越先進的型號。

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## 任務

機智號設計初衷是為了驗證無人直升機飛行技術，用於評估是否可以在火星或其他星球表面上安全飛行，並為探測車提供線路規劃，從而為任務提供更多資訊。

火星無人直升機的設計目的是為探測車提供清晰的地表圖像，其解析度約為軌道衛星圖像的十倍。這可以讓探測車沒有任何監控死角。這種技術可以使探測車每次安全行駛的距離提高三倍。

機智號安裝在毅力號火星車的腹下，並在著陸後60至90火星日部署到火星表面。在試飛開始前，毅力號將行駛大約100米（330英尺）拉開距離。

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## 儀器

機智號無人直升機含有4個特殊碳纖維製成的旋翼葉片，長度達1.2米（4英呎）。此外，機智號上還裝備有電腦、導航傳感器以及兩台照相機（一台彩色照相機，一台黑白照相機）。雖然它是一架飛機，但它的構造符合太空飛行器的規格，可以承受發射時的重力加速度和振動。其內部加熱器也能讓它在寒冷的夜晚保持正常的工作溫度。其他一些附加輸入設備包括陀螺儀，視覺里程計，傾斜傳感器，高度計和危險探測器並將使用一塊太陽能電池板為電池充電。

機智號的外殼內部是由二氧化碳（$CO2$）填充的隔溫層。由於重量等因素，設計團隊放棄了使用氣凝膠作為隔熱層。

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### 導航

由於火星兩極的磁場不一致，無法使用指南針進行導航，因此將通過相機跟蹤估計速度，從而實現視覺導航。

### 計算

機智號的主要計算引擎使用高通驍龍處理器，Linux作業系統，以及美國國家航空航天局開源的F'（F Prime）飛行軟體框架。在其他功能中，通過從相機跟蹤的特徵得出速度的估算值控制視覺導航演算法，由高通處理器連接到兩個飛行控制微控制器單元（MCU）上，來實現自主飛行的功能。

### 通信

無人直升機與探測車的通信功能是通過使用低功耗的ZigBee無線電鏈路通信協議和安裝在探測車和無人直升機中的900MHzSiFlex02晶片組來實現的。該通信系統用於在最遠1000米（3300英尺）的距離上以250kbit/s的速度傳輸數據。

### 電池

機智號的電池容量為35～40Wh，其中1/3的電量用於飛行，其餘2/3的電量用於儀器保溫。若排除儀器保溫時的電量消耗，理論上光伏板僅需一天就能充滿電池。正是因為夜晚需要為儀器供熱，機智號最佳起飛時間是當地的上午11點，否則將會出現電池電量耗盡無法提供儀器保溫的風險。

## 初步測試

2019年，在地球上模擬火星大氣和重力條件下測試了機智號的初步設計。

在飛行試驗中，用一個大真空室模擬出火星氣壓——由於火星的大氣層密度僅地球大氣的1%，極其稀薄，很難為直升機足夠升力，在這種極低氣壓下起飛相當於一架直升機在地球大氣層中飛行10萬英尺（3萬米）。為了模擬火星的重力場，用一條向上拉的線抵消了地球62％的引力。

## 著陸

機智號無人機已於美國東部時間2021年2月18日下午3時55分隨著毅力號降落在火星的耶澤羅撞擊坑上。

## 飛行

由於火星大氣非常稀薄，飛行面臨很大的挑戰，在降落後，機智號的首次飛行曾數次推遲。美國東部時間2021年4月19日，美國國家航空航天局在推特上發布消息，稱「機智號完成了它的第一次飛行——動力飛機在另一個星球上的第一次飛行。」按計劃，火星車將監控直升機的飛行過程，並將拍到的圖片和數據傳回地球。2021年4月22日，機智號成功地完成了它在火星的第二次飛行，飛行時間一共持續了51.9秒。

2021年5月7日，美國宇航局公布機智號在火星上第四次飛行時的聲音，這是人類首次在地外星球上錄製太空飛行器發出的聲音。

## 飛行記錄

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機智號的第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）｜時長（秒）｜最大飛行高度｜水平飛行距離｜最高水平速度｜起飛地點｜降落地點｜飛行目的｜簡介

1｜2021年4月19日 07:34｜39.1｜3公尺｜0公尺｜0公尺/秒｜萊特兄弟機場｜技術展示｜

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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。

2｜2021年4月22日 09:33｜51.9｜5公尺｜4公尺｜0.5公尺/秒｜

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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。

3｜2021年4月25日 11:31｜80.3｜5公尺｜100公尺｜2公尺/秒｜

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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。

4｜2021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 14:49｜116.9｜5公尺｜266公尺｜3.5公尺/秒｜萊特兄弟機場｜技術展示｜

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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。

5｜2021年5月7日 19:26｜108.2｜10公尺｜129公尺｜2公尺/秒｜萊特兄弟機場｜機場B｜

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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。

6｜2021年5月23日 5:20｜139.9｜10公尺｜215公尺｜4公尺/秒｜機場B｜機場C｜前往南賽塔｜

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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。

7｜2021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 15:54｜62.8｜10公尺｜106公尺｜4公尺/秒｜機場C｜機場D｜前往南賽塔｜

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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。

8｜2021年6月22日 0:27｜77.4｜10公尺｜160公尺｜4公尺/秒｜機場D｜機場E｜

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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，等待軟體更新。

9｜2021年7月5日 9:03｜166.4｜10公尺｜625公尺｜5公尺/秒｜機場E｜機場F｜

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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。

10｜2021年7月24日 21:07｜165.4｜12公尺｜233公尺｜5公尺/秒｜機場F｜機場G｜探索凸脊區域｜

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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。

11｜2021年8月5日 4:53｜130.9｜12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｜

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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。

12｜2021年8月16日 12:57｜169.5｜10公尺｜450公尺｜4.3公尺/秒｜機場H（南賽塔區域）｜探索南賽塔｜

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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。

13｜2021年9月5日 00:10｜160.5｜8公尺｜210公尺｜3.3公尺/秒｜

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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。

14｜2021年10月24日 8:18｜23.0｜5公尺｜2公尺｜0.5公尺/秒｜飛行測試｜

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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。

15｜2021年11月6日 16:22｜128.8｜12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｜

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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。

16｜2021年11月21日 2:09｜107.9｜10公尺｜116公尺｜1.5公尺/秒｜機場F｜機場J｜

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降落在南賽塔地區邊緣。

17｜2021年12月5日 12:25｜116.8｜10公尺｜187公尺｜2.5公尺/秒｜機場J｜機場K｜

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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。

18｜2021年12月15日 17:27｜124.3｜10公尺｜230公尺｜2.5公尺/秒｜機場K｜機場L｜

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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。

19｜2022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 04:21｜99.8｜10公尺｜63公尺｜1公尺/秒｜機場L｜機場E｜返回著陸點｜

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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。

20｜2022年2月25日 13:35｜130.3｜10公尺｜391公尺｜4.4公尺/秒｜機場E｜機場M｜

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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）。

21｜2022年3月10日 22:10｜129.2｜10公尺｜370公尺｜3.85公尺/秒｜機場M｜機場N｜前往三角洲｜

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為前往三角洲附近的一系列飛行中的第一個飛行。

22｜2022年3月20日 4:06｜101.4｜10公尺｜68公尺｜1公尺/秒｜機場N｜

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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。

23｜2022年3月24日 6:44｜129.1｜10公尺｜358公尺｜4公尺/秒｜機場N｜機場P｜

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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。

24｜2022年4月3日 12:49｜69.5｜10公尺｜47公尺｜1.45公尺/秒｜機場P｜

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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。

25｜2022年4月8日 16:40｜161.3｜10公尺｜704公尺｜5.5公尺/秒｜機場P｜機場Q｜

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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。

26｜2022年4月19日 1:32｜159｜8公尺｜360公尺｜3.8公尺/秒｜機場Q｜機場R｜拍攝 EDL 照片｜

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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。

27｜2022年4月23日 4:11｜152.9｜10公尺｜307公尺｜3公尺/秒｜機場R｜機場S｜探索福騰嶺｜

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機智號拍攝了毅力號團隊十分感興趣的福騰嶺（Fortun Ridge）區域。

28｜2022年4月29日 7:44｜152.4｜10公尺｜418公尺｜3.6公尺/秒｜機場S｜機場T｜前往三角洲｜

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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。

29｜2022年6月11日 15:06｜66.6｜10公尺｜179公尺｜5.5公尺/秒｜機場T｜機場U｜冬季試飛｜

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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。

30｜2022年8月20日 12:38｜33.3｜5公尺｜2公尺｜0.5公尺/秒｜機場U｜沙塵暴後試飛｜

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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。

31｜2022年9月6日 23:31｜55.6｜10公尺｜97公尺｜4.75公尺/秒｜機場U｜機場V｜前往三角洲｜

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前往三角洲一帶。

32｜2022年9月18日 6:46｜55.3｜10公尺｜94公尺｜4.75公尺/秒｜機場V｜機場W｜

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前往三角洲一帶。

33｜2022年9月24日 11:15｜55.2｜10公尺｜111公尺｜4.75公尺/秒｜機場W｜機場X｜

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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。

34｜2022年11月23日 01:25｜18.3｜5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。

35｜2022年12月3日 08:26｜52.0｜14公尺｜15公尺｜3公尺/秒｜前往三角洲｜繼續前往三角洲一帶。

36｜2022年12月10日 12:57｜60.5｜10公尺｜110公尺｜5.5公尺/秒｜

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繼續前往三角洲一帶。

37｜2022年12月17日 17:34｜55.2｜10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

## 圖片

### 影片

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### 飛行影片

機智號的首飛行高度數據，圖形中間突然升高的部分顯示飛行時間段

## 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

## 基本資料

- 說明：由毅力號拍攝的機智號照片
- 太空飛行器類型：無人直升機
- 製造商：噴氣推進實驗室
- landing_mass：總質量: 1.8kg、電池: 273g
- 尺寸：機身: 14cm、螺旋槳直徑: 3.9ft、高度: 80cm
- 功耗：350 瓦特
- 典型樂器：慣性傳感器、雷射高度計、導航相機 × 2
- 推出時間：2020年7月30日 11:50 UTC
- 發射地點：卡納維拉爾角空軍基地41號航太發射台
- deployment_date：2021年4月3日、首次飛行：2021年4月19日
- 域：JPL的機智號標識
- 分類：火星探索計劃/火星2020
- previous_mission：火星科學實驗室
- next_mission：NASA-ESA MSR
- 著名項目：NASA的火星直升機
- previous_mission2：(首位)
- next_mission2：火星樣本回收直升機
- 類型：aircraft
- object：火星
- component：直升機
- arrival_date：2021年2月18日 20:55 UTC
- 地點：18.4447°N 77.4508°E、耶澤羅撞擊坑