NASA機智號火星無人直升機成功首飛，創造人類航天又一里程碑

機智號（Ingenuity）是美國國家航空航天局（NASA）研制的一架火星無人直升機，于2021年2月18日搭乘毅力號（Perseverance）火星車登陸火星。4月4日，機智號順利從毅力號腹部釋放到火星表面，然后獨自經歷了火星夜晚-90℃的嚴寒考驗。4月19日，機智號無人直升機成功完成了在火星上的首次飛行，并成功降落在火星萊特兄弟機場。這是人造航空器首次在另一個行星上受控飛行，其主要用途不是進行科學考察，主要用于驗證在火星大氣層中飛行所需的技術，為研發機器人或人類探索火星時攜帶的先進飛行器打下基礎。機智號成功在火星上首飛，距離萊特兄弟在地球上首次試飛人造飛行器僅過去了118年！

這項試飛工作原本打算在30天后結束，其間擬最多做5次飛行。但因機智號表現良好，且“身體狀況”仍然很不錯，NASA做出了延長其任務的決定，即讓機智號以不會減慢毅力號科學工作節奏的方式來飛行，未來還將做兩次飛行。

1 機智號簡介

機智號是一種小型雙螺旋直升機，質量約1.8kg，有4片旋翼，由太陽能電池板為鋰電池充電。底部安裝有兩個攝像頭，一彩色，一黑白，可以拍攝火星車難以到達的火星表面，并與火星車相互記錄對方的活動。

火星的表面引力約為地球的1/3，氣壓只有地球氣壓的1%，空氣非常稀薄。為了能在稀薄的火星大氣層中飛行，機智號直升機旋翼旋轉角速度達到了2400r/min，這個速度是地球上客運直升機的8倍左右。其水平移動的速度為10m/s，爬升速度為3m/s。

這架小直升機靠頂部的太陽電池板進行充電，電能儲存在鋰離子電池中，充電一天，大概能夠飛行90s，飛行距離最長300m，飛行高度最高5m。

“火星2020”（Mars 2020）任務為機智號試驗工作預留了30個火星日（相當于地球31天）的時間。測試機智號的主要目的是證實在火星上飛行是否可行，因此沒有特別攜帶的科研儀器，只用攜帶的相機拍攝的照片來協助科學家規避毅力號前方的障礙物。機智號的飛行開啟了火星探測的新篇章，讓未來“直升機型”的火星探測器成為選項之一，打破目前火星探測車在行走距離上的限制。

火星上的機智號無人直升機（來源：NASA/JPL）

2 飛行任務

機智號首飛多次被推遲

機智號原計劃于4月11日在火星上進行首飛，毅力號上的幾個鏡頭都準備好迎接這歷史性時刻。然而，在測試中卻發現機智號的旋翼系統存在問題，因而推遲到4月14日。而4月14日，機智號的計算機軟件又出現故障，NASA又為其重新安裝了飛行控制軟件，首飛時間推遲到4月19日。

首飛，人類航天又一突破

4月19日，機智號在火星上成功完成了首次飛行，這是人造航空器首次在另一個行星上受控動力飛行。從火星傳回地球的數據顯示，機智號完成了持續約40s的火星首飛，在垂直上升3m后，執行了懸停、下降和著陸等所有設定動作。機智號首飛目的是為了證明在火星稀薄的大氣中動力飛行的可行性。

機智號首飛成功完成了幾個人類探索太空的里程碑：首先，人類首次火星無人機飛行并安全著陸火星表面；其次，能夠在火星寒冷的夜晚實現溫度的自主調整，并自行利用頭上的太陽能電池板充電；第三，通過火星車上的直升機基地與直升機自動完成信息的相互傳輸。

傳回地面的機智號首飛圖片（來源：NASA/JPL）

第二次飛行，多方面表現全面提升

4月22日，機智號成功完成火星上第二次飛行，在飛行高度、時長和難度等多方面表現均超過第一次。

05:33，機智號自動從火星表面起飛，上升過程中還激起了一陣塵土。它首先飛到4.9m的高度，然后機身傾斜5°，并向一側移動了2.1m，盤旋，轉向，將其攜帶的彩色相機指向不同方向，最后回到出發點下降，并安全著陸。此次飛行共持續了59.1s。地球任務控制中心大約4h后開始接收到相關數據。

與首飛僅拍攝黑白圖像不同，機智號第二次飛行還拍攝了彩色“照片”，但傳回地球的首批“照片”仍為黑白，顯示它懸停在空中時落在火星表面的影子里。

第三次飛行，飛得更快更遠

4月25日，機智號進行了第三次試飛，其飛行速度和距離較之前有了明顯的提升。機智號從基地往北飛了50m，飛行高度維持在5m，速度最高達到

2m/s，整個測試往返的航程為100m，在空中停留的時間差不多是80s。相比前兩次試飛，機智號第三次飛行的表現顯然又大膽了許多。

不過按照NASA計劃負責人的說法，機智號剩下的兩次飛行才是“真正的冒險”，NASA將會探索這架直升機的極限。之后，NASA會將重心放到毅力號的主要任務上。此次飛行，機智號已經證明在火星大氣密度極低的環境中飛行的可行性，這對未來的火星探測任務有重要意義。

第四次飛行，將過渡到任務新階段

4月30日，機智號成功完成了第四次飛行，飛行距離再創紀錄。

10:49，機智號成功起飛，爬升到了約5m的高度，然后向南飛行了大約133m，接著返回，來回總計飛行了約266m，一共持續了117s，再次創下紀錄。

NASA原計劃在4月29日讓機智號啟動第四次飛行，但是一個無損害性的軟件故障導致機智號無法

機智號第四次飛行（來源：NASA/JPL）

從“飛行前模式”切換到“飛行模式”。NASA工程師預計，在飛行嘗試時，有15%的機率會出現這一問題。

另外，NASA同時宣布機智號被賦予了一項新任務。在證明能夠在火星上進行動力控制飛行后，機智號很快將進入一個新的運行驗證階段，探索空中偵查和其他功能如何在未來的火星和其他星球探索受益。

第五次飛行，轉戰新機場

5月7日，機智號正在探測那顆紅色星球上的一座新機場，并完成了其第五次火星飛行。直升機從杰澤羅環形山底部起飛，爬升到了5m高度，并向南飛了129m，路線與第4次飛行相同。

但與前4次飛行不同的是，本次飛行是一次單程旅行。在到達目的地上空后，機智號又爬升到了10m高度，并拍攝了一些照片，然后降落到了一個新位置，從而結束了這次歷時108s的飛行，同時開啟了一段新的探索征程。本次飛行10m的高度是其此前達到過的最大飛行高度的2倍。

本次飛行讓機智號轉入了一個新的階段。在這一階段，機智號將展現旋翼機為火星車充當偵察兵的能力。新機場位于毅力號原先規劃好的行動路線上，所以機智號在飛行中拍攝的照片可能會有助于毅力號團隊選取最高效的路徑，甚至會有助于確定有探測意義的巖石目標。

3 結語

機智號的首飛意義不亞于萊特兄弟首次在地球上試飛人造飛行器，將為人類探索宇宙帶來新的“利器”，它為人類未來的深空探測任務打開了一扇大門。現在各國的探測器著陸之后，都是采用的探測車進行探測，十分緩慢，如果采用無人機，效率將會成倍提高。人類一旦完全掌握在空氣稀薄的環境下依托飛行的方式進行科學考察，就能適用于現在已知和能夠到達的絕大部分星球。