最棒的一架无人机

作为“遥控飞行器”。无人飞机几十年前就有，承担军事侦察、航拍、高风险巡检等任务。最近这十几年，随着廉价的高性能控制器、高清摄像头、高性能电池、定位和通讯模块等关键部件的成本迅速下降，无人机在全球大爆发。比如无人机摄影被广大旅游者和摄影爱好者广泛使用；俄乌战场上的几百刀的简单无人机可以干掉价值几十万的坦克或对设施造成不可估量的损失；中国带彩色LED的无人机群美轮美奂的节日庆典表演；无人机被用于各种类型的从空中俯视的测量；美国军方的1.3亿美刀一架的Global Hawk侦察机……

说实话，这些无人机在我的心目中都没有太高的地位，都是几十年前就有的无人机的me too。（就好比说，后来的人类驾驶的飞机甭管多好，都是1903年莱特兄弟实现人类第一次飞行的me too。）

在我的心中，最棒的、空前绝后的无人机，是那架2021年4月至2024年1月在火星（Mars）上飞行的小直升机Ingenuity——



这架直升机原计划在火星上一个月内飞行5次，证明域外的飞行的可能性。然而它却存活了1004天，飞行了72次。2024年1月，当它最终折戟沉沙的时候；我想写点什么纪念一下，但一直犯懒没写。一转眼，两年过去了。



** 遥远而又令人神往的火星**

火星是太阳系八大行星中距离太阳第四近的行星，居地球和木星之间。它的直径是地球的53%，表面重力加速度为0.38 g。古罗马神话中的“战神”，也被称为“红色星球”。其橘红色外表是因为地表土壤富含氧化铁。



古往今来，人类对火星的了解，是一种融合科学与想象的情结。最早，火星只是一颗在天空中显眼的红色亮点。红的颜色常被联想为战神或灾难的象征，这种神秘感引发人们创造了不少神话故事。文艺复兴之后，随着望远镜的发明，人们第一次看清它表面的明暗不均，误以为那是河流、海洋甚至运河，这些观念在19世纪被进一步文学化，甚至有人相信有“火星人”的存在。



对火星真正系统的科学兴趣始于20世纪。随着太空探测技术的进步，人类逐步揭示了火星的面貌：它的大气主要由二氧化碳构成，非常稀薄，它表面布满峡谷，大部分时间环境极端寒冷。1960-1980年代，火星探索又成了苏美太空竞赛的一部分，但美国的轨道探测（Mariner Program）和着陆探测（Viking Program）要成功得多。比如1964 年 Mariner 4首次成功飞越火星并拍摄近距离照片，证实火星上根本没有什么“运河”。Viking 1 于 1976 年在火星上成功软着陆，并开展科学实验。



从30年前开始，人类进入了在火星表面长期自主移动、开展系统科学探测的火星车时代。先后通过飞船把5辆火星车送上火星表面 — 旅居者号（Sojourner，1997年），勇气号（Spirit，2003年）、机遇号（Opportunity，2003年），好奇号（Curiosity，2012年），毅力号（Perseverance，2021年）。



五年前升空的毅力号不仅是重达一吨多的大型火星车，承担复杂的研究任务（至今仍然正常工作），而且不同寻常的是，它把一架小直升机Ingenuity也带上了火星 ——



**别出心裁的想法 **

火星直升机项目的起点可以追溯到 2013 年，当时 NASA 的一些年轻工程师提出了“在火星飞行”的设想。这个想法并没有得到热情的支持，有些资深专家持保留意见。结果NASA只给这个项目8千万美元的预算。 这笔钱，少于好莱坞大片的预算，也比一架隐形战机或大型客机便宜。经过多年研发和验证，最终决定将其搭载在毅力号上，于 2020 年 7 月与火星车一同从地球发射。

设计和测试火星直升机 Ingenuity 的团队，是一个高度跨界、分层协作的系统工程团队，其核心在 NASA 喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL），同时又吸纳了大量外部专业力量。

因为没有现成的“火星飞行器”范式，JPL 选择在内部组建一个小而精的试验性团队，由缅甸裔工程师Mimi Ong领导，研究中时常采用快速试错策略和非常规决策。这个团队在关键技术节点上大量引入航空、机器人和计算机视觉领域的专家，刻意保持小规模、高自主权和强跨界协作。



从上面这个录像我们看到，Ingenuity 核心团队整体很年轻，这在 NASA 的深空任务中相当突出。Ingenuity 当初的定位并不要求实用，更不需要完美，而是偏重于一个“技术演示”（technology demonstration）。Ingenuity飞行并非 Perseverance 火星车的主要任务。从一定意义上讲，它是一个探索是否可能改变行星探测范式的小型风险项目。这样的项目，往往更适合交给处于职业生涯早、中期的工程师，他们技术背景扎实，对新算法、新硬件、新工作流程非常熟悉，也更有勇气在不确定性中快速决策。NASA 内部早有一种默契，这类项目一般交给年轻人唱主角。NASA 很清楚，如果要想把这个项目从一次奇迹变成一个新领域（比如域外航空探测），就必须尽早培养一代新人。让年轻工程师亲手把 Ingenuity 飞起来，就是为未来对火星与域外其他有大气的星球的探测的新范式，埋下了人才的种子。

另一方面，Ingenuity 的技术要求本身就年轻。像自主导航、视觉图像处理、软件快速迭代这些无人机与机器人领域的前沿实践，都不是深空探测器的传统工程范式。很多关键岗位的工程师尽管年轻，却已经在相关领域积累了丰富的经验。

** 在火星上飞行的巨大挑战 **

Ingenuity 有个绰号Ginny，被翻译成“小机灵”，它实在是又小又轻，质量不到1.8公斤，在火星的重力下，只有约0.7公斤（物理学上严格地说应该是“约7牛顿”）。

即便是做成这样一个小家伙，要在火星上飞行，须面对非常严峻的挑战。最大的困难是火星大气稀薄 ，很难产生足够的升力。地球海平面大气压约101 kPa（千帕），而火星的大气压只有610Pa，也就是说火星的大气压只有地球海平面大气压的0.6%，约相当于地球上35000米高空的大气压，简直快要是真空了。而地球上直升机的升限只有几千米。解决的办法是，Ingenuity 使用 直径 1.2 米的超大双旋翼，并且转速高达 2400 转/分钟（地球无人机一般 400–600 转/分钟），才勉强产生足够升力。而且这些旋翼都用极轻的碳纤维制成。

第二个重大挑战是火星表面极端的温度和巨大的温差，火星中午阳光下表面温度最高可达30°C，夜间可降到 -100°C。这是地球上任何飞行器都不会遇到的严酷环境。小机灵没有其他能源，只能依靠机身顶部的小型太阳能电池板充电，它的锂离子电池充满后储电40Wh，在夜晚消耗掉三分之二电能给电池、马达、传感器、照相机和飞控计算机保温，否则设备会被冻坏。因此，小机灵的飞行一般都是上午11点左右，电池中的电够飞60-120秒，然后能在白天充足够的电供夜间保温。

小机灵遇到的第三个大挑战是导航和定位。这个对于地球上的无人机不是问题。它们可以直接利用GPS，或者操作者通过无线电告诉它往哪儿飞。但这对于火星直升机不可能。火星没有GPS系统。而且火星实在太遥远了，它最近距地球也有5千6百万公里，最远（在太阳另一侧）达4亿1千万公里，（电磁波需要3 ~ 22分钟从地球传到火星），这样长的通讯延迟，不可能实时遥控（比较一下：月球距地球38万公理，通讯延迟仅1.3秒）

因此，小机灵必须完全依靠机载计算机和导航算法实现自主飞行。它带有黑白和彩色两个摄像头识别地面特征，载有惯性测量单元（IMU）提供加速度、角速度数据，经计算机综合后提供高度和航向引导。这一切，居然都被NASA科学家集成到一个小小的火星直升机里，了不起！



** 从地球到火星  **

如果不考虑科幻设想、只依据目前已验证过的工程技术，一艘从地球出发的飞船到达火星，实际上要经历一条相对成熟、但每一步又容不得差错的技术路径。它大致可以分为：地球出发与逃逸、地火转移飞行、火星捕获与变轨，以及进入-下降-着陆四个阶段。这套流程，几十年来在飞往火星和其他行星的无人探测器上已经被多次成功实践。

从地球出发阶段看，飞船首先必须进入近地轨道，然后通过一次或多次发动机点火，其目的是让飞船达到或略高于地球逃逸速度，并把飞行轨道与未来火星所在的位置重叠。现代任务多采用“霍曼转移轨道”（Hohmann transfer orbit），半年多后飞船轨道与火星轨道相交。飞船的整个飞行距离约5亿公里，要飞七个月左右。这是一条与火星渐行渐近的弧线。



当飞船接近火星时，需要“制动”（breaking）来被火星引力“捕获”，避免速度太快掠过火星而飞走。制动可以点火反推或利用火星稀薄的大气，如今许多轨道器采用“推进制动 + 气动制动”相结合的方式，逐步将轨道调整为理想的工作轨道。