27亿美元的NASA「毅力号」成功登陆火星!还带了一架1%大气密度也能飞的无人机

去年 7 月底,机器之心报道了NASA最具野心的火星探测计划

如今,「毅力号 」火星车在被送上轨道的近 7 个月后,终于成功在火星着陆。
据资料显示,「毅力号」是有史以来最大、最为复杂的火星探测系统,这台次世代火星车造价高达 27 亿美元,总重 1025 千克。它是自阿联酋希望号、中国天问一号之后,人类在这个「火星季」发射的第三个探测器。但是,阿联酋的希望号探测器只是一颗火星人造卫星,而中国天问一号仍在火星轨道,而「毅力号」采取了直接降落火星的方式。

「毅力号」的着陆地点位于火星赤道以北的耶泽罗撞击坑(Jezero crater),其中心座标为(18.41°N, 77.69°E)。在此处着陆的主要目的是识别和收集该地区的沉积岩和土壤样本,并探索可能存在的火星生命迹象。

图源:NASA 和 J.P.L。

成功着陆火星之后,「毅力号」先后发回了两张火星表面的图像。
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「毅力号」着陆火星全过程

作为人类目前最重的火星探测器,「毅力号」火星车长 3 米、宽 2.7 米、高 2.2 米,重量达到 2,260 磅(约 1 吨)。因此,着陆火星并不容易,它没有选择首先进入轨道,而是借助一个直径超 70 英尺的降落伞直接着陆。

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「毅力号」火星车火星着陆概念图。图源:NASA

着陆火星的全过程主要分为以下几个步骤:巡航阶段分离、「毅力号」抵达火星附近、接触火星大气、经历「黑色七分钟」、打开降落伞、喷气背包(jetpack)点火并释放「毅力号」、喷气背包飞到远处自毁。

NASA 毅力号火星探测器(NASA’s Perseverance Mars Rover)官方推特全程演示了「毅力号」火星车着陆火星的过程:

首先完成巡航阶段分离( cruise stage separation),「毅力号」抵达火星附近。

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抵达火星大气层顶部,这时离着陆还有七分钟。

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进入火星大气层,经过热量峰值(peak heating)和减速(deceleration),机动瞄准着陆目标。

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打开降落伞(parachute),再次减速。此时速度约为 1500 千米 / 小时、海拔高度约为 11 千米。

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丢掉防热罩(heat shield),此时离着陆还有两分钟。

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锁定雷达,打开摄像机,寻找安全的着陆点。

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点燃喷气背包的引擎,此时离着陆还有不到一分钟。
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最终,喷气背包释放「毅力号」火星车,并使其成功着陆,宣告此次火星着陆任务完美结束。

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1% 的大气也能飞的无人机

除了探测器「毅力号」,NASA 为它配备的无人机同样备受关注。

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这架无人机由 NASA 喷气推进实验室(JPL)着手设计,重量仅为 1.8 公斤,高 0.5 米,螺旋桨直径 1.2 米,装在探测器的腹部,主要用于拓展火星车的视野。

而这项任务的重要性和价值在于证明直升机有可能在火星上飞行,并收集有利于下一代火星旋翼飞机的数据。

如果成功这将是人造飞行器在地球以外的星球的首次飞行,或将开辟一条新的太阳系探索之路。

那么此次飞行最大的难点在于哪里?气压。

虽然火星表面的重力大约只有地球的 1/3 (38%),看起来有利于无人机飞行,但有一点非常致命:火星大气的密度只有地球的 1%。由于几乎没有空气流动,在火星上获得起飞所需的升力是非常困难的。

因此这要求飞行器必须是超轻的,而且螺旋桨的转速要非常快。

据报道,这架无人机螺旋桨旋转角速度可达 2400 转每分钟,水平移动的速度为 10 米每秒,爬升速度为 3 米每秒。相比之下,一架传统直升机每分钟的转速仅为 450 到 500。

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在导航传感器上,无人机使用手机级 IMU、激光测高仪以及向下的 VGA 摄像机进行单眼特征跟踪。导航时,无人机逐帧比较几十个特征,以跟踪相对位置找出方向和速度。这些都是通过位置估计来完成的,而不是记住特征或创建地图。

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从下方看此无人机,包含激光测高仪和导航摄像机。

最后,机器之心告诉读者们一件有趣的事:这也是 NASA JPL 的工程师们第一次在火星上飞行基于 Linux 系统的无人机。该火星无人机的运行代码也已在 Github 上开源。

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参考链接:
https://www.nytimes.com/live/2021/02/18/science/nasa-mars-landing#what-will-the-rover-do-on-mars
https://spectrum.ieee.org/automaton/aerospace/robotic-exploration/nasa-designed-perseverance-helicopter-rover-fly-autonomously-mars

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