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火星上的一小步，人類的一大步。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 19 日 NASA 宣布在毅力號(hào)的「注視」下，機(jī)智號(hào)（Ingenuity）無人直升機(jī)成功完成了火星上的首次飛行，并完成 3 米高度懸停 30 秒的高難度動(dòng)作。

機(jī)智號(hào)團(tuán)隊(duì)表示，從火星傳回到地球的數(shù)據(jù)顯示，機(jī)智號(hào)完成了持續(xù)約 40 秒的火星首飛，在垂直上升 3 米后，執(zhí)行了懸停、下降和著陸等所有設(shè)定動(dòng)作。

起飛：

空中懸停：

下降和著陸：

整個(gè)飛行過程持續(xù)了約 40 秒，機(jī)智號(hào)無人機(jī)創(chuàng)造了人類在火星上的「萊特兄弟時(shí)刻」！

一波三折

機(jī)智號(hào)試飛時(shí)間為美國東部時(shí)間 19 日 3 時(shí) 34 分（北京時(shí)間 15 時(shí) 34 分），美東時(shí)間當(dāng)天 6 時(shí) 46 分（北京時(shí)間 18 時(shí) 46 分）接收到機(jī)智號(hào)通過毅力號(hào)火星車傳回地球的數(shù)據(jù)，確認(rèn)其上升至預(yù)設(shè)的 3 米飛行高度，懸停約 30 秒，隨后降落并順利在火星著陸。

此前，NASA 原定于 4 月 11 日擬嘗試首次動(dòng)力飛行，但在機(jī)翼高速旋轉(zhuǎn)測試中，直升機(jī)電腦從飛行前模式轉(zhuǎn)為飛行模式期間，系統(tǒng)出現(xiàn)問題并提前終止測試。因此，首飛時(shí)間推遲至 14 日。但在 14 日的測試中，由于需要安裝其飛行控制軟件以修復(fù)此前出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)軟件故障，驗(yàn)證和安裝新飛行軟件需要時(shí)間，因此首飛時(shí)間第二次被推遲。

一波三折之后，機(jī)智號(hào)火星無人機(jī)終于在 4 月 19 日首飛成功。在接下來一個(gè)月的時(shí)間里，機(jī)智號(hào)還將進(jìn)行多達(dá) 4 次的飛行。第二次試飛計(jì)劃不早于 4 月 22 日進(jìn)行，挑戰(zhàn)更高的飛行高度，飛行高度上升到 5 米，飛行時(shí)間會(huì)更長。最后兩次飛行將更加雄心勃勃，最后一次飛行可能會(huì)在團(tuán)隊(duì)規(guī)劃的平坦、安全的飛行場（airfield）外飛行。

Ingenuity 的首席飛行員 H?vard Grip 表示：「機(jī)智號(hào)獨(dú)創(chuàng)性的完成了它的首次飛行，一架動(dòng)力飛機(jī)在另一個(gè)星球上的第一次飛行！」

雖然今天機(jī)智號(hào)飛行時(shí)間很短，但具有重要意義，為今后火星飛機(jī)探索鋪平了道路。美國航天局官員表示，得益于機(jī)智號(hào)的開創(chuàng)性工作，未來的 Red Planet 任務(wù)通常會(huì)包括直升機(jī)作為探測器偵察員或數(shù)據(jù)采集員。

機(jī)智號(hào)的導(dǎo)航相機(jī)拍到的投在火星表面的影子。

為了能在稀薄的火星大氣層中飛行，與在地球飛行的直升機(jī)相比，機(jī)智號(hào)火星無人機(jī)需要克服哪些困難呢？

機(jī)智號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速要快得多，葉片達(dá)到每分鐘 2500 轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)速。機(jī)智號(hào)其實(shí)是一臺(tái)小型的共軸雙旋翼直升機(jī)，通過螺旋槳的旋轉(zhuǎn)提供升力，可以精確控制 4 個(gè)旋翼的傾角，2 個(gè)螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)力矩抵消，無需尾槳，整體結(jié)構(gòu)也更適合折疊。機(jī)智號(hào)的重量只有 1.8 千克，高 0.5 米，有 4 片旋翼，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率可達(dá)到 350 瓦，由太陽能電池板為鋰電池充電。

圖源：https://zhaokaifeng.com/?p=6981

在火星上起飛是個(gè)大問題，由于火星表面和地球環(huán)境相差很大，火星表面重力大約只有地球表面的 1/3。為了讓機(jī)智號(hào)能夠在火星上飛行，必須足夠堅(jiān)固，承受高轉(zhuǎn)速對機(jī)體結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)。為此，機(jī)智號(hào)的旋翼、支腳都使用碳纖維構(gòu)成。

機(jī)智號(hào)原型在實(shí)驗(yàn)室中的試飛（圖源：NASA）

這項(xiàng)耗費(fèi) 8500 萬美元的飛行是一次技術(shù)演示，旨在證明在火星上能夠進(jìn)行動(dòng)力控制飛行，沒有其他額外任務(wù)。這次飛行驗(yàn)證了未來火星飛行探測器的可行性，為未來火星宇航員使用無人機(jī)打下了基礎(chǔ)。

下車獨(dú)立飛行

早在兩個(gè)月前，機(jī)智號(hào)無人機(jī)就搭上毅力號(hào)火星車的順風(fēng)車，一同著陸火星。機(jī)智號(hào)被固定在毅力號(hào)的底部，它們一起經(jīng)受了 8 分鐘內(nèi)從秒速五公里減速到 0 的考驗(yàn)，在火星成功著陸。對毅力號(hào)來說，在火星著陸就是最大的考驗(yàn)。而對于附著在其底面的機(jī)智號(hào)，考驗(yàn)才剛剛開始。火星表面的溫度極低，耶澤羅隕擊坑中夜晚最低溫度是零下 90 攝氏度，許多電子元件的運(yùn)行都會(huì)受到影響。

毅力號(hào)擁有核電池，因此當(dāng)機(jī)智號(hào)附著在毅力號(hào)上時(shí)，可以依靠毅力號(hào)的能源保溫。

2021 年 4 月 3 日，機(jī)智號(hào)無人機(jī)彩色相機(jī)拍攝的首張照片，此時(shí)機(jī)智號(hào)還在火星車底，照片中拍到了火星車兩個(gè)輪子。

但機(jī)智號(hào)還是要脫離毅力號(hào)完成飛行任務(wù)的。在拋掉保護(hù)罩，緩慢展開，并將六塊鋰離子電池充滿之后，機(jī)智號(hào)被放置在了火星表面上。放下機(jī)智號(hào)后，毅力號(hào)盡快駛離。接下來機(jī)智號(hào)依靠著它上方的太陽能板和內(nèi)部的電池順利撐過了火星寒冷的夜晚。

毅力號(hào)駛離機(jī)智號(hào)。

蟄伏 2 個(gè)月，歷經(jīng)數(shù)次拖延，并進(jìn)行了一場火星上的軟件升級(jí)，機(jī)智號(hào)終于完成了首飛任務(wù)。

在接下來的飛行計(jì)劃中，毅力號(hào)還將會(huì)把鏡頭對準(zhǔn)機(jī)智號(hào)，以提供更多機(jī)智號(hào)在火星上的飛行照片。此外，毅力號(hào)還將在機(jī)智號(hào)飛行過程中嘗試錄音，如果可能的話，還會(huì)拍攝視頻。

機(jī)智號(hào)首飛成功背后的默默「貢獻(xiàn)者」

Ingenuity 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止 JPL 的 6000 位成員，來自世界各地的開源工作者都為 Ingenuity 的飛行做出了重要貢獻(xiàn)。

事實(shí)上，GitHub 上有近 12000 名開發(fā)人員通過開源為 Ingenuity 的軟件做出了貢獻(xiàn)。然而，就像第一張黑洞的圖片一樣，這些開發(fā)者中的大多數(shù)甚至都沒有意識(shí)到他們幫助了第一架火星直升機(jī)的飛行。

Ingenuity 直升機(jī)在其導(dǎo)航計(jì)算機(jī)上運(yùn)行嵌入式 Linux 分布。其中許多軟件都使用了 JPL 的開源飛行控制框架 F Prime（F′），并使用 C++ 編寫。同時(shí)，在從地面控制到飛行建模再到數(shù)據(jù)處理，Python 生態(tài)系統(tǒng)都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

F Prime 框架：https://github.com/nasa/fprime

大約有 12000 人為 Ingenuity 用到的開源軟件的代碼、文檔、設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)。為了表彰這些貢獻(xiàn)者，GitHub 在他們的個(gè)人資料上添加了一種新的徽章。