机智号

机智号（Ingenuity），也称“小机灵”（Ginny，是一台火星无人直升机，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。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），网络直播则在三小时之后的6:15 EDT（10:15 UTC）进行。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。任务团队将通过独创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，已超过执行28次任务，然而原订5月3日展开的第29次飞行，机智号首次与NASA失去联系。目前已恢复通讯并确认异常原因，但随着火星冬季即将到来前景开始变得险峻。

2024年1月25日，美国太空总署（NASA）宣布，在火星的无人直升机“机智号”（Ingenuity）因为旋翼损坏，无法再执行飞行任务而退役。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年级学生开展征文及命名大赛后，该设备最终在28000份提名中采用了由阿拉巴马州诺斯波特市17岁女高中生云妮莎·鲁巴尼（Vaneeza Rupani）提名的“Ingenuity”。该名称中译有独创号、机智号、心灵手巧/聪明才智号等。

## 设计

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。

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## 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。

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。

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## 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英尺）。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）。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。

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### 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开源的F'（F Prime）飞行软件框架。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。

### 电池

机智号的电池容量为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

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机智号的第1到5次飞行为技术展示阶段，第6次飞行以后为操作展示阶段。而其在第10次飞行时探索了凸脊区域，第12和13次飞行时在南赛塔拍摄许多图像，为毅力号火星车团队搜集许多资讯。

飞行纪录：

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｜起飞地点｜降落地点｜飞行目的｜简介

1｜2021年4月19日 07:34｜39.1｜3米｜0米｜0米/秒｜莱特兄弟机场｜技术展示｜

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为首次在另一个星球上进行动力控制飞行。悬停时，它按照计划原地旋转 96 度。飞行数据于 11:30 收到。

2｜2021年4月22日 09:33｜51.9｜5米｜4米｜0.5米/秒｜

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短暂悬停后，其飞行控制系统命令机智号以 5 度轻微倾斜，横向飞行 2 米。随后逆时针旋转，将彩色相机指向各个方向拍照。最终飞回起飞地点并降落。

3｜2021年4月25日 11:31｜80.3｜5米｜100米｜2米/秒｜

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首次飞行到离部署点有一定距离的地方。机智号以每秒 2 米的速度向南飞行 50 米，停下来盘旋，然后返回并降落在出发点。

4｜2021年4月29日｜因为软件没有转换到飞行模式，第四次飞行首次尝试失败。

2021年4月30日 14:49｜116.9｜5米｜266米｜3.5米/秒｜莱特兄弟机场｜技术展示｜

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在离起飞地最远处悬停时拍摄彩色图像。毅力号火星车在飞行中录下了机智号的声音和影片，使机智号成为第一个在地球外被录制声音的探测器。

5｜2021年5月7日 19:26｜108.2｜10米｜129米｜2米/秒｜莱特兄弟机场｜机场B｜

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第一次在新地点降落的航程，降落于莱特兄弟机场南方 129 米的机场 B。这次飞行是技术技术展示的最后一次飞行。

6｜2021年5月23日 5:20｜139.9｜10米｜215米｜4米/秒｜机场B｜机场C｜前往南赛塔｜

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在飞行 54 秒后，第一段航线接近尾声时，导航图像处理系统出现故障。一张照片被删除，随后带有不正确时间戳的图像导致飞行器前后倾斜高达 20 度，功耗急剧上升。在关闭导航摄像头并使用 IMU 飞行后，机智号才恢复正常飞行，最终成功降落在距计划地点约 5 米处。

7｜2021年6月6日｜因为软件没有转换到飞行模式，第七次飞行首次尝试失败。

2021年6月8日 15:54｜62.8｜10米｜106米｜4米/秒｜机场C｜机场D｜前往南赛塔｜

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飞往新的着陆点：机场 D。为了防止第六次飞行时的故障再次发生，该飞行没有使用彩色相机。

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

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着陆点距离毅力号火星车约 133.5 米（438 英尺）。与上一次飞行一样，彩色相机已关闭，等待软件更新。

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

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向西南方向飞过赛塔——位于杰泽罗撞击坑的预期研究地点。导航系统在设计上假定是地面是平坦的，但赛塔的沙丘有高低起伏，因此导航产生偏差，于离半径 50 米的计划着陆区中心 47 米处着陆。

10｜2021年7月24日 21:07｜165.4｜12米｜233米｜5米/秒｜机场F｜机场G｜探索凸脊区域｜

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直升机飞过包括起降地在内共 10 个航点，起降点之间的距离约为95米。

11｜2021年8月5日 4:53｜130.9｜12米｜383米｜5米/秒｜机场G｜机场H（南赛塔区域）｜前往南赛塔｜

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该飞行将机智号部署在适合前往南赛塔拍摄照片的区域：机场 H。在机场 H 的起飞次数、停放时间（3 个月，从 8 月 5 日到 11 月 6 日）、相关飞行时间（481.8 秒）、飞行距离（1069 米）皆仅次于莱特兄弟机场。

12｜2021年8月16日 12:57｜169.5｜10米｜450米｜4.3米/秒｜机场H（南赛塔区域）｜探索南赛塔｜

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该飞行冒险进入地质奇特的南赛塔地区。机智号起飞后飞至 10 米高，并向东北偏东方向飞行约 235 米，飞向科学家对南赛塔感兴趣的区域。到达后，直升机将进行 5 米的“侧步”，以拍摄适合建构 3D 模型地表的照片，然后原路返回。飞行过程中总共拍摄了 10 张彩色照片，提供毅力号团队十分有价值的参考。

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

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再次飞往南赛塔，并将镜头以与第十二次飞行相反的方向拍摄照片。该飞行为较低的 8 米高，以拍摄更清晰的照片。

14｜2021年10月24日 8:18｜23.0｜5米｜2米｜0.5米/秒｜飞行测试｜

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因为火星进入大气密度较低的季节，机智号的必须以更高的叶片转速飞行，甚至超越在地球上所做所有的测试。9月15日，2,800 rpm 旋转测试成功，确定该转速不会造成共振。随后9月18日尝试飞行，但因设备异常而取消。9月21日和23日均进行测试，成功排除异常，但因即将进入行星日凌（Solar conjunction）期间，因而再度延后飞行。最终于10月24日完成飞行，成功验证机智号的叶片可使用 2700 rpm 的高旋转速度飞行。

15｜2021年11月6日 16:22｜128.8｜12米｜407米｜5米/秒｜机场H（南赛塔区域）｜机场F｜返回着陆点｜

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为返回着陆点附近的一系列飞行中的第一个飞行。于凸脊区域降落。

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

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降落在南赛塔地区边缘。

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

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沿着第九次飞行的路径反方向飞过南赛塔。由于 Bras 山丘和毅力号的放射性同位素热能发电机（MMRTG）阻挡，机智号和毅力号之间的通信在降落期间距离地面大约 3 米处中断。12月9日，研究团队确认机智号为直立状态，安然无恙。12月14日，机智号传回的数据表示最后的降落过程成功完成，状况良好。

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

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沿着第九次飞行的路径反方向飞过南赛塔。原本计划降落在机场 E （第九次飞行的起飞处），但因视觉导航没有足够的地表特征可供参考，误认该地区有会影响降落的岩石，而降落在沙质地形的机场 L。随后团队更新软件，以避免过早着陆的情况再度发生。

19｜2022年12月底到2022年2月初｜由于沙尘暴接近杰泽罗撞击坑，第十九次飞行延后，为首次因天气因素导致飞行器在地球以外的天体上的飞行延后。直到一个多月后，大气恢复正常，机智号才恢复沙尘暴前的发电能力。

2022年2月8日 04:21｜99.8｜10米｜63米｜1米/秒｜机场L｜机场E｜返回着陆点｜

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机智号飞出南塞塔盆地，到达主高原，降落在机场 E。降落前，机智号转向将近 180 度，以便将其彩色相机对准三角洲地区，以便未来飞行。

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

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机智号回到奥克塔维娅·埃·巴特勒着陆场附近。随后，机智号将开始向西北方向飞过赛塔地区，前往三角洲的三叉地区（Three Forks）。

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

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为前往三角洲附近的一系列飞行中的第一个飞行。

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

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为前往三角洲附近的一系列飞行中的第二个飞行。由于不明原因，机智号仅飞行约 70 米，而非计划的 350 米。

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

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为前往三角洲附近的一系列飞行中的第三个飞行。飞行过程十分复杂，例如为避开山丘执行约 90 度的急转弯等。

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

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由于大气密度逐渐增加，机智号于此飞行开始回归以叶片原本的转速飞行（2,537 rpm）。此飞行为短程飞行，目的是为第二十五次飞行直接飞离赛塔地区做准备。同时，该飞行之日为机智号部署一周年。

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

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机智号至今为止距离最长、速度最快的飞行。机智号于此次飞行飞出赛塔地区。任务团队特地选择了一条避开毅力号“再入、下降、着陆系统”（EDL）的路径，避免机智号的高度计和导航系统出错。

26｜2022年4月19日 1:32｜159｜8米｜360米｜3.8米/秒｜机场Q｜机场R｜拍摄 EDL 照片｜

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机智号拍摄了毅力号着陆过程中抛弃的背壳及降落伞撞击地面后产生的碎片。

27｜2022年4月23日 4:11｜152.9｜10米｜307米｜3米/秒｜机场R｜机场S｜探索福腾岭｜

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机智号拍摄了毅力号团队十分感兴趣的福腾岭（Fortun Ridge）区域。

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

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该飞行为2022年4月的第五次飞行，为进入操作展示阶段后，飞行频率最高的一个月。

5月3日，由于气温过低及电量不足，机智号与毅力号失联。5月5日时恢复通讯。

29｜2022年6月11日 15:06｜66.6｜10米｜179米｜5.5米/秒｜机场T｜机场U｜冬季试飞｜

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由于气温过低，导致倾角仪故障无法使用，机智号使用惯性测量单元（IMU）代替其功能。该飞行为机智号首次不使用倾角仪飞行，也是首次在火星的冬季飞行。

30｜2022年8月20日 12:38｜33.3｜5米｜2米｜0.5米/秒｜机场U｜沙尘暴后试飞｜

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沙尘暴季节后的首次飞行，也是两个多月以来的首次飞行。目的为测试机智号在长时间不飞行后是否仍能准确地飞向目标地点。

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

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前往三角洲一带。

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

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前往三角洲一带。

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

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飞行过程中，机智号的脚架上有一小块异物碎片，该碎片并没有影响到飞行，但来源不明。

34｜2022年11月23日 01:25｜18.3｜5米｜0米｜0米/秒｜机场X｜软件更新后飞行测试｜第四次软件更新后的飞行测试。为了能在地形崎岖的三角洲地带飞行，机智号更新了导航功能，包刮降落时可以进行危险规避，以及利用数值地形模型（digital terrain model，DTM）降低飞行误差等。

35｜2022年12月3日 08:26｜52.0｜14米｜15米｜3米/秒｜前往三角洲｜继续前往三角洲一带。

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

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继续前往三角洲一带。

37｜2022年12月17日 17:34｜55.2｜10米｜62米｜3米/秒｜机场X｜机场Y｜继续前往三角洲一带。

飞行资料来源

## 图片

### 影片

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### 飞行影片

机智号的首飞行高度数据，图形中间突然升高的部分显示飞行时间段

## 外部链接

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

## 基本资料

- 说明：由毅力号拍摄的机智号照片
- 航天器类型：无人直升机
- 制造商：喷气推进实验室
- landing_mass：总质量: 1.8kg、电池: 273g
- 尺寸：机身: 14cm、螺旋桨直径: 3.9ft、高度: 80cm
- 功耗：350 瓦特
- 典型乐器：惯性传感器、激光高度计、导航相机 × 2
- 推出时间：2020年7月30日 11:50 UTC
- 发射地点：卡纳维拉尔角空军基地41号航天发射台
- deployment_date：2021年4月3日、首次飞行：2021年4月19日
- 域：JPL的机智号标识
- 分类：火星探索计划/火星2020
- previous_mission：火星科学实验室
- next_mission：NASA-ESA MSR
- 著名项目：NASA的火星直升机
- previous_mission2：(首位)
- next_mission2：火星样本回收直升机
- 类型：aircraft
- object：火星
- component：直升机
- arrival_date：2021年2月18日 20:55 UTC
- 地点：18.4447°N 77.4508°E、耶泽罗撞击坑