NASA机智号火星无人直升机成功首飞，创造人类航天又一里程碑

机智号（Ingenuity）是美国国家航空航天局（NASA）研制的一架火星无人直升机，于2021年2月18日搭乘毅力号（Perseverance）火星车登陆火星。4月4日，机智号顺利从毅力号腹部释放到火星表面，然后独自经历了火星夜晚-90℃的严寒考验。4月19日，机智号无人直升机成功完成了在火星上的首次飞行，并成功降落在火星莱特兄弟机场。这是人造航空器首次在另一个行星上受控飞行，其主要用途不是进行科学考察，主要用于验证在火星大气层中飞行所需的技术，为研发机器人或人类探索火星时携带的先进飞行器打下基础。机智号成功在火星上首飞，距离莱特兄弟在地球上首次试飞人造飞行器仅过去了118年！

这项试飞工作原本打算在30天后结束，其间拟最多做5次飞行。但因机智号表现良好，且“身体状况”仍然很不错，NASA做出了延长其任务的决定，即让机智号以不会减慢毅力号科学工作节奏的方式来飞行，未来还将做两次飞行。

1 机智号简介

机智号是一种小型双螺旋直升机，质量约1.8kg，有4片旋翼，由太阳能电池板为锂电池充电。底部安装有两个摄像头，一彩色，一黑白，可以拍摄火星车难以到达的火星表面，并与火星车相互记录对方的活动。

火星的表面引力约为地球的1/3，气压只有地球气压的1%，空气非常稀薄。为了能在稀薄的火星大气层中飞行，机智号直升机旋翼旋转角速度达到了2400r/min，这个速度是地球上客运直升机的8倍左右。其水平移动的速度为10m/s，爬升速度为3m/s。

这架小直升机靠顶部的太阳电池板进行充电，电能储存在锂离子电池中，充电一天，大概能够飞行90s，飞行距离最长300m，飞行高度最高5m。

“火星2020”（Mars 2020）任务为机智号试验工作预留了30个火星日（相当于地球31天）的时间。测试机智号的主要目的是证实在火星上飞行是否可行，因此没有特别携带的科研仪器，只用携带的相机拍摄的照片来协助科学家规避毅力号前方的障碍物。机智号的飞行开启了火星探测的新篇章，让未来“直升机型”的火星探测器成为选项之一，打破目前火星探测车在行走距离上的限制。

火星上的机智号无人直升机（来源：NASA/JPL）

2 飞行任务

机智号首飞多次被推迟

机智号原计划于4月11日在火星上进行首飞，毅力号上的几个镜头都准备好迎接这历史性时刻。然而，在测试中却发现机智号的旋翼系统存在问题，因而推迟到4月14日。而4月14日，机智号的计算机软件又出现故障，NASA又为其重新安装了飞行控制软件，首飞时间推迟到4月19日。

首飞，人类航天又一突破

4月19日，机智号在火星上成功完成了首次飞行，这是人造航空器首次在另一个行星上受控动力飞行。从火星传回地球的数据显示，机智号完成了持续约40s的火星首飞，在垂直上升3m后，执行了悬停、下降和着陆等所有设定动作。机智号首飞目的是为了证明在火星稀薄的大气中动力飞行的可行性。

机智号首飞成功完成了几个人类探索太空的里程碑：首先，人类首次火星无人机飞行并安全着陆火星表面；其次，能够在火星寒冷的夜晚实现温度的自主调整，并自行利用头上的太阳能电池板充电；第三，通过火星车上的直升机基地与直升机自动完成信息的相互传输。

传回地面的机智号首飞图片（来源：NASA/JPL）

第二次飞行，多方面表现全面提升

4月22日，机智号成功完成火星上第二次飞行，在飞行高度、时长和难度等多方面表现均超过第一次。

05:33，机智号自动从火星表面起飞，上升过程中还激起了一阵尘土。它首先飞到4.9m的高度，然后机身倾斜5°，并向一侧移动了2.1m，盘旋，转向，将其携带的彩色相机指向不同方向，最后回到出发点下降，并安全着陆。此次飞行共持续了59.1s。地球任务控制中心大约4h后开始接收到相关数据。

与首飞仅拍摄黑白图像不同，机智号第二次飞行还拍摄了彩色“照片”，但传回地球的首批“照片”仍为黑白，显示它悬停在空中时落在火星表面的影子里。

第三次飞行，飞得更快更远

4月25日，机智号进行了第三次试飞，其飞行速度和距离较之前有了明显的提升。机智号从基地往北飞了50m，飞行高度维持在5m，速度最高达到

2m/s，整个测试往返的航程为100m，在空中停留的时间差不多是80s。相比前两次试飞，机智号第三次飞行的表现显然又大胆了许多。

不过按照NASA计划负责人的说法，机智号剩下的两次飞行才是“真正的冒险”，NASA将会探索这架直升机的极限。之后，NASA会将重心放到毅力号的主要任务上。此次飞行，机智号已经证明在火星大气密度极低的环境中飞行的可行性，这对未来的火星探测任务有重要意义。

第四次飞行，将过渡到任务新阶段

4月30日，机智号成功完成了第四次飞行，飞行距离再创纪录。

10:49，机智号成功起飞，爬升到了约5m的高度，然后向南飞行了大约133m，接着返回，来回总计飞行了约266m，一共持续了117s，再次创下纪录。

NASA原计划在4月29日让机智号启动第四次飞行，但是一个无损害性的软件故障导致机智号无法

机智号第四次飞行（来源：NASA/JPL）

从“飞行前模式”切换到“飞行模式”。NASA工程师预计，在飞行尝试时，有15%的机率会出现这一问题。

另外，NASA同时宣布机智号被赋予了一项新任务。在证明能够在火星上进行动力控制飞行后，机智号很快将进入一个新的运行验证阶段，探索空中侦查和其他功能如何在未来的火星和其他星球探索受益。

第五次飞行，转战新机场

5月7日，机智号正在探测那颗红色星球上的一座新机场，并完成了其第五次火星飞行。直升机从杰泽罗环形山底部起飞，爬升到了5m高度，并向南飞了129m，路线与第4次飞行相同。

但与前4次飞行不同的是，本次飞行是一次单程旅行。在到达目的地上空后，机智号又爬升到了10m高度，并拍摄了一些照片，然后降落到了一个新位置，从而结束了这次历时108s的飞行，同时开启了一段新的探索征程。本次飞行10m的高度是其此前达到过的最大飞行高度的2倍。

本次飞行让机智号转入了一个新的阶段。在这一阶段，机智号将展现旋翼机为火星车充当侦察兵的能力。新机场位于毅力号原先规划好的行动路线上，所以机智号在飞行中拍摄的照片可能会有助于毅力号团队选取最高效的路径，甚至会有助于确定有探测意义的岩石目标。

3 结语

机智号的首飞意义不亚于莱特兄弟首次在地球上试飞人造飞行器，将为人类探索宇宙带来新的“利器”，它为人类未来的深空探测任务打开了一扇大门。现在各国的探测器着陆之后，都是采用的探测车进行探测，十分缓慢，如果采用无人机，效率将会成倍提高。人类一旦完全掌握在空气稀薄的环境下依托飞行的方式进行科学考察，就能适用于现在已知和能够到达的绝大部分星球。