人类无人机火星首飞成功!3米高度悬停30秒,用了哪些核心技术?

2021-04-21 09:13:12 科学声音

从美国NASA下属的喷气推进实验室传来一个好消息,毅力号火星车携带的机智号无人机首飞成功。

这家伙飞起来3米高,悬停了30秒。你别看飞得不高,持续时间也很短。但是这是一个不折不扣的奇迹,人类制造的飞行器第一次在地球以外的地方飞起来了。

我一直等到半夜,喷气推进实验室才发布了比较完整的飞行视频。毕竟从5500万公里外的火星把数据传回来是要花不少时间的。

这个小无人机叫机智号,也叫“小机灵”,总重量1.8公斤。但是,这已经是JPL的工程师们拼命减重的结果了。3斤6两的重量相对于我们常见的家用版无人机来讲,算是重的了。大疆的精灵系列无人机只有1.3公斤重。但是机智号无人机和我们常见的拍摄用的无人机完全是两码事。我们常见的无人机叫“多轴飞行器”。机智号是个标准的共轴反桨的直升机构型。

要知道火星上的大气极其稀薄,只有地球的1/100,相当于地球上3万米的高空。所以,机智号的桨叶有1.2米长,而且一分钟要转2500圈,比普通的无人机螺旋桨转的快5倍。好在火星上空气稀薄,阻力也小,否则还真的转不到这么快。

机智号的头顶上有一块太阳能电池板。所有的电能都来自于这块太阳能电池板。要足足晒1天,才能把电充足。机智号用的是锂电池,总容量跟一个普通充电宝差不多。

要知道锂电池很怕冻。如今电动汽车很火,但是,在我国东北地区用的不多。东北的冬天很冷,气温一下降,电动车的里程数就一个劲的往下掉。火星上更冷,毅力号火星车所在的耶泽罗撞击坑,夜里的气温是零下83摄氏度,白天的温度也在零下22摄氏度。所以,2/3的电能是用来保暖的,只有1/3的电能是用来飞行的,飞90秒就得下来。

正因为火星上很冷,阳光也弱一点。所以飞行的最好时机是当地时间中午11点左右,飞一趟也就一分多钟,下来以后还有足足半天时间可以充电。半天时间积攒起来的电力可以维持这个“小机灵”挺过寒冷的夜晚。如果是傍晚起飞,电用的没剩下多少,正赶上太阳下山,想充电没法充,那就只能等死了。所以,这个无人机也不是想飞就能飞的。反正机智号要断断续续的晒24小时,才能把电充足,所以一个月也飞不了几次。这个无人机没带什么特殊的仪器,也就是飞起来拍个照。处理器是高通骁龙801,系统是Linux。看上去也就跟手机差不多,但是这个无人机要处理的问题和手机完全不是一码事。我们常用的民用无人机都带有磁罗盘,能够辨别东西南北。带着GPS接收器,能够确定自己的精确位置,带着光流定位的摄像头,能够依靠视觉来判断自己的运动。带着超声波传感器,能判断离地面的距离,能够前后左右自动避障。

机智号用的是激光高度表,倒是比家用无人机的超声波传感器的上档次。但是其他方面可就不占便宜了。在火星上,磁罗盘是没有用的,火星磁场很弱,而且很乱。火星上也没有GPS定位。这两种导航方式就没什么用了。机智号的运动定位只能靠摄像头的视觉来搞光流定位了。这种技术说白了就是在肚子上装一个摄像头,利用地面图像作为参照来计算自己到底移动了多少,朝哪个方向移动的。

这个无人机发出的无线电信号撑死了也就传个1000米左右,因此它不可能离开毅力号太远,毕竟拍摄的图像要先传给毅力号,由毅力号转发给运行在火星轨道上的中继卫星,然后再转发到地球,被位于西班牙的地面测控站收到,我们才能看到这段图像。

尽管这个无人机很弱,尽管这个无人机是实验性质,也没安排什么特定的任务。就这还花了8000万美元,外加500万的运营费用。但是这毕竟是在火星,我们人类的飞行器是在地球之外的地方飞起来了。所以这还是一个非常值得纪念的成就,当年莱特兄弟的飞行者号第一次飞行,不也才飞了12秒钟,距离37米吗?对了,机智号上带了一小片莱特兄弟飞行者号左机翼上的平纹细布,包裹在了太阳能电池板延伸出来的电线上。起码在JPL的工程师眼里,机智号的首飞和人类的第一次飞行是一样重要的。如果机智号表现出色的话,那就展开下一代直升机蜻蜓号的研究。不过蜻蜓号不是在火星上飞行,而是在土星的卫星土卫六上飞行。

土卫六拥有浓密的大气层,气压是地球表面的1.45倍。而且土卫六更远,接收到的阳光只有地球的1%,偏偏不走运的是,大部分阳光还被反射掉了,所以土卫六上的气温是-190摄氏度。而且土卫六的自转已经被巨大的土星给锁定了,一个面始终朝向土星。大气层的旋转速度远远超过表面的自转速度,这个环境远比火星苛刻的多。

现在看到的图像是惠更斯号探测器拍摄的,落到土卫六表面几分钟以后,惠更斯号就停止了工作,工作时间其实没多长。在这么复杂苛刻的环境下,蜻蜓号如果真的能实现在土卫六上飞行,那么毫无疑问是人类的又一个创举。

美国人在太阳系探索方面开创了很多的第一次。我们不得不承认,除了苏联对金星探测有一些成就,其他有关太阳系各大行星的相关知识,主要是美国人的贡献。我们在深空探测方面才刚刚起步,尽管我们的火星探测器天问一号起点非常高。可以说是一步跨越了美国人几十年的历程,但是我们毕竟是在填补国内空白,做的还是美国人几十年前就做过的事情。我们的国力已经变得很强,技术上也已经比较先进了,从能力上和资源上都应该去做一些前人没做过的事情,那样才更能代表全人类的高度,更有意义。

与天斗,其乐无穷。拿着大把的资金,一手人工智能,一手大数据,最后就为了跟买菜的小贩过不去,有点出息没有啊?窝里斗多没劲啊。

我相信,哪个的工程师也不会满足于去一遍一遍重复别人已经干过的事儿,对吧。天问一号携带的那个火星车现在还没扔下去,不过呢,也快了,大家别着急,到时候再跟大家聊。

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