“机智”号太阳能无人直升机开展飞行测试

艾琳·克洛茨（卡纳维拉尔角），盖伊·诺里斯（科罗拉多泉）

在飞行测试期间，“机智”号在火星稀薄大气中正常飞行，飞控系统运行良好；面对极端低温环境，电池、电子元器件等零部件耐低温性能表现较优异。这是一次开拓性、高风险技术验证任务，美国国家航空航天局为此耗资8500万美元。

2021年4月19日，一架小型太阳能共轴式无人直升机“机智”号（Ingenuity）在火星杰泽罗陨石坑（Jezero Crater）完成首次动力飞行，成为美国国家航空航天局(NASA)“火星科学直升机”（Mars Science Helicopter，MSH）项目的新壮举。在“毅力”（Perseverance）号火星车太阳能电池板下面，藏着一块邮票大小的布料，它取自莱特兄弟“飞行者”飞机的机翼，以此向117年前人类首次成功演示动力飞行表示敬意。

载运方式与着陆区域

图1 “机智”号被挂在“毅力”号车身底部（左图），由一个凸起的防护箱封装（右图）。

“机智”号被挂在“毅力”号车身底部，由太空残骸防护箱封装，在未脱离“毅力”号火星车之前，“毅力”号放射性同位素温差发电器（RTG）电力系统为其供电。2021年2月18日，“毅力”号采用伞降、火箭反推悬停、空中吊车投放着陆技术在杰泽罗陨石坑降落，最终将“机智”号运抵火星。杰泽罗陨石坑是美国国家航空航天局指定的着陆地点，直径为45km，那里堆积有一片扇形的沉积物，称为三角洲，据说过去曾有水流入湖泊，一度填满了这个盆地。

“毅力”号的任务

为探寻过去微生物的生命迹象和完成多个在轨航天器的系列任务，“毅力”号会用2年时间寻找、采集并封装至少20个样品，在2031年之前由其他航天器带回地球。同时，“毅力”号火星车为“机智”号研究团队提供通信、拍摄和气象预报工作，当“机智”号30个火星日(Sol)飞行测试期结束后，“毅力”号将从支持“机智”号技术验证任务转向它的主要科学任务。据悉，一个火星日是24小时39分钟35.244秒。

“机智”号的飞行测试地点

工程师完成着陆地点图片分析后，指派“毅力”号对一个相对平坦、无岩石的区域进行勘测，即图2中的机场。“机智”号在该机场开展飞行测试。

图2 美国国家航空航天局侦察型火星轨道飞行器拍摄的图片显示，方形区域为机场。

“机智”号的主要任务

美国国家航空航天局的目标任务是，研究、评估和验证太阳能无人直升机在火星（或除地球外任何有大气层的星球）飞行应具备的技术。“机智”号只须在火星飞行一次就可满足该目标任务要求。

围绕“火星科学直升机”项目，美国国家航空航天局专门开发了一套适合旋翼机在火星低密度大气中运行的飞行控制系统。“机智”号概念验证的主要任务是测试该飞控系统，这是一项开拓性、高风险技术验证任务，由“机智”号与“毅力”号火星车协同完成。

技术特点

构型设计

“机智”号是一种共轴式无人直升机，具有两副反向旋转的双旋翼，带有4片桨叶，每个旋翼直径为1.22m，其转速可达2400rpm。

“机智”号无人直升机重量仅1.8kg，机身约为一个纸巾盒大小，由4根支架支撑，每根支架由碳纤维复合材料制成，支架长度是38cm。

“机智”号最大飞行距离为300m，从起飞到降落，该机最大飞行时间是90s，这是其电池电量耗尽前所有可用的飞行时间。

能源与动力系统

由于火星大气中的氧气含量极低，吸气式内燃机或涡轮发动机方案不可行。尽管工程师正在研究自增压双组元推进剂燃烧系统、小型核动力装置等未来概念，但“机智”号以太阳能为能源，采用可充电锂离子电池供电，仍被认为是火星近期和中期科学任务的最佳选择。

图3 “机智”号无人直升机结构示意图。

一个太阳能电池阵列板安装在“机智”号无人直升机旋翼系统顶部，每天可为6块锂电池充电，已储存电能的锂电池在夜间为加热器供电，并为“机智”号飞行提供电能。“机智”号在热真空舱和在火星着陆后都能正常工作，而且在没有火星车的帮助下，也能在火星成功降落并生存，打消了之前外界对其太阳能电池板性能和电池尺寸的怀疑。

成功挑战稀薄大气

美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）的科学家和工程师在地球反复进行了飞行模拟试验，最终成功制造出这架小型太阳能无人直升机，它不仅能在火星稀薄的大气中飞行，也能在极端低温环境中生存。

相关资料显示，地球大气密度为1.225kg/m3，火星平均大气密度仅为0.02kg/m3，约为地球的1.6%。火星表面平均气压只有624Pa，大气相当稀薄，约为地球的0.6%，而地球标准大气压是10132Pa。

火星大气密度相当于距离地球地面30.48km处的大气密度，30.48km的高度已远超无人直升机在地球的最大飞行高度。“机智”号在火星飞行，相当于在距离地球地面30.48km的高度飞行。目前，无人直升机在地球从未飞过如此高的高度。

为弥补稀薄大气产生的影响，美国国家航空航天局采用了共轴双旋翼设计，与地球上空飞行的小型直升机典型转速400～500rpm相比，“机智”号旋翼转速高达2400rpm，比前者快5倍。在火星上，无人直升机旋翼转速只有达到这个量值，才能产生足够大的升力，确保无人直升机在火星稀薄的大气中正常飞行。

理想情况下，美国国家航空航天局希望使用尺寸更大、旋转速度更快的桨叶，但火星车自身承载能力对无人直升机总体尺寸有限制，所以桨叶尺寸不能太大。

图4 太阳能电池板安装在“机智”号旋翼系统的顶部。

旋翼翼尖速度会直接影响旋翼转速。无人直升机在火星飞行，旋翼翼尖速度不会超过0.8Ma左右。这是由于火星大气的主要成分是二氧化碳，火星大气中的声速仅为240m/s，而地球声速是340m/s，这意味相对低的空速会产生压缩性影响，必然会将无人直升机旋翼翼尖的最大速度限制在200m/s左右。如果高于这个速度，桨叶将发生失速或气动弹性颤振，颤振是一种不稳定的自激性结构振动，将损坏旋翼。

耐低温性能验证

火星温度范围是从极地温度-104℃到赤道温度21℃。降落区杰泽罗陨石坑的温度可能低至-54℃，这对“机智”号的电子元器件和电池构成了威胁。

喷气推进实验室位于加州帕萨迪纳市，该实验室蒂姆·卡纳姆（Tim Canham）先生主管“火星科学直升机”项目运营，他表示可通过热模型了解火星夜晚的寒冷程度、加热器须要运行多长时间，以及电池是否过度放电。但是，对“机智”号这种小型无人直升机进行热建模，困难确实很大。

“机智”号无人直升机降落火星后，工程师们曾非常担心它能否正常工作，能否熬过极端低温的夜晚。但很快，“机智”号准时建立了无线通信传输，技术人员收到大量数据，显示其无线电通信系统工作正常，无人直升机状况良好，说明“机智”号在火星寒冷的夜晚具有较强的生存能力。

图5 科研人员正在检查“机智”号零部件。

“机智”号的机械零件、结构部件等只有在火星极端低温下生存，才能保证其正常工作。为给各种零部件保温，加热器在夜间将消耗大量电能。“机智”号完成了首次飞行测试，说明其电力系统实现了低能耗。

大量测试和试验奠定基础

喷气推进实验室“火星科学直升机”项目首席工程师鲍勃·巴拉兰（Bob Balaram）表示，为确保“机智”号无人直升机在火星正常飞行，喷气推进实验室的科研人员完成了所有测试工作，包括从机械装置测试到太空舱中的测试，他们利用热真空舱做了大量飞行试验和机动性飞行测试，以验证系统的性能和提前了解系统如何实现自主控制。

喷气推进实验室的热真空舱长度为7.6m，用于模拟火星的稀薄大气和低温环境。在模拟火星大气环境时，技术人员在热真空舱中充入了二氧化碳气体以代替空气，同时建造了风墙，以模拟火星上的侧风。

喷气推进实验室“机智”号首席工程师米米·昂（Mimi Aung）表示，通过在太空舱进行分析、建模和测试，科研人员在发射时已确信，“机智”号的火星飞行很可能取得成功。“机智”号在火星上运行良好，证明了喷气推进实验室的研制路径选择和“机智”号的构型设计非常正确。

火星重力加速度很低，仅为3.71m/s2，几乎是地球的1/3，这是一个非常有利的条件。虽然技术人员在产品研制过程中不可能模拟这种低的重力加速度，但美国国家航空航天局已经充分考虑了“机智”号在火星上几乎所有可能遇到的环境场景。

飞行测试细节披露

按计划，“机智”号无人直升机将开展为期30个火星日即31天的飞行测试。但是，美国国家航空航天局安排了多次飞行测试，实际飞行测试时间已超过30个火星日。

首飞时间推迟

“机智”号原定的首飞时间并不是4月19日，而是4月11日。因为4月9日“机智”号在进行旋翼高转速测试过程中，其飞控软件未能将飞行前模式转换到飞行模式，因此首飞被迫推迟。美国国家航空航天局总部“火星科学直升机”项目计划执行官戴夫·拉弗里（Dave Lavery）表示，技术人员早在发射前就已编写好飞控软件，测试时已提前安装于无人直升机。美国国家航空航天局检查了运行过程，以判断该问题是否在地球测试期间曾出现过，但未被发现，或者数据在测试期间因某种原因被掩盖，或是在火星上才出现的新问题。随后几天，该局对“机智”号飞控软件进行了远程更新，最终修复了软件问题。

图6 首飞时，“机智”号机载摄像机拍摄的自身投影。

图7 “机智”号在火星完成第2 次飞行，该图片由“毅力”号拍摄。

图8 “毅力”号拍摄的火星车和无人直升机。

拉弗里解释说，虽然软件问题的解决方法相对简单，仅须重写几行代码，但对于全部重新编写的飞控软件，必须由“毅力”号火星车传给“机智”号，而两者相距61m。在其他探测器和行星飞行任务中，美国国家航空航天局已成功完成多次软件更新工作，但在火星任务中从未执行过。尽管新版本软件创建非常迅速，该局仍采取了非常谨慎的工作方式，即先进行运行测试，再逐步加载到运行中的一个轨道飞行器上，然后由轨道飞行器转发给“毅力”号火星车，在火星车上重装，最后传给无人直升机。所有这些步骤必须非常明确和谨慎，且需要花费大量时间。

在软件未出现问题之前，“机智”号进行旋翼高转速测试期间，已完成一次旋翼低转速50rpm测试。一旦软件问题解决，唯一不确定的因素就是火星的实际飞行环境。因为火星环境中可能存在人类预测不到的因素，这种不可控因素将会影响飞行测试效果。美国国家航空航天局的科研人员对“机智”号按预期目标飞行充满了信心，但是也对火星上可能出现的意外情况表示担忧。

首飞成功

2021年4月19日，“机智”号首次在火星试飞成功，美国国家航空航天局收到“机智”号的第一组首飞数据，并进行了处理和分析。另外，该局也成功获取了“机智”号首飞画面。

“机智”号首飞是一次适度的飞行，演示了爬升、悬停、转弯和受控的下降。为安全起见，首飞最大飞行高度为3m。

第5次飞行测试细节

在前4次飞行中，“机智”号位于机场区域。第1次仅为简单的起飞和降落，第4次则在火星大气中穿越飞行。

2021年5月11日，美国国家航空航天局公布了“机智”号第5次飞行细节。“机智”号离开第一个飞行测试区域即机场，飞向它的第二个测试地点，并等待“毅力”号火星车前往。在第5次飞行中，“机智”号首次完成两个不同地点之间的起飞和降落，飞行高度达到10m。

第6次飞行测试出现异常

2021年5月28日，在第6次飞行中，因导航相机影像处理系统出现故障，“机智”号出现异常，机体发生振动，险些造成“坠机”，但最终在预定地点安全着陆。因为“机智”号在飞行最后时刻，不再依靠视觉导航，调整了姿态，机体振动停止，使飞控系统保持足够的稳定性。

美国国家航空航天局表示，尽管出现了问题，但第6次飞行测试仍然成功。问题解决后，“机智”号将进行第7次飞行。

第7次飞行测试完成

6月8日“机智号”完成第7次飞行，飞行时间62.8s，向南飞行了106m，最后在一个新地点降落。

各种概念设计方案

“火星科学直升机”项目由喷气推进实验室和美国国家航空航天局艾姆斯（Ames）研究中心联合研究，旨在为未来火星旋翼飞行器开发关键技术，该项目研究也会吸取“机智”号试验中的教训。在强大技术实力支撑下以及从“机智”号研制中获得的经验，喷气推进实验室的科研人员对开辟火星探索的新领域充满信心，相信改进型无人直升机能执行火星车支援、样品收集、航空测绘等任务，以及能对洞穴、峡谷等火星车无法进入的区域进行监视。

三种飞行器概念方案

“火星科学直升机”项目的研究工作提出了三种飞行器概念，可供未来火星任务计划参考。一种是小型先进共轴设计方案，其空机重量为4.5kg，尺寸和“机智”号无人直升机相同。另外两种机型稍大，每台空机重量约20kg，其中尺寸较大的概念飞行器也采用了共轴设计，其旋翼直径为2.5m；另一台是六旋翼飞行器。

迈克尔· 拉多维奇（Michael Radotich）是美国国家航空航天局艾姆斯研究中心“火星科学直升机”研究团队的成员，也是一名学生。今年1月，他在垂直飞行学会（Vertical Flight Society）举办的自主垂直起降（VTOL）技术会议上说，即使是较小的共轴概念方案，也会显著提升“机智”号的性能如航程、任务载荷重量和悬停时间。在不携带任务载荷情况下，“机智”号无人直升机的飞行时间是90s，而采用先进设计方案，在携带1.3kg任务载荷情况下，“机智”号飞行时间可增加一倍。如果携带更轻的任务载荷，“机智”号的飞行时间将更长，航程更大。该概念研究证明，美国国家航空航天局有能力让无人直升机携带科学研究任务载荷在火星执行任务。

科研人员必须考虑在所提议的地点执行任务的难度，而无人直升机能从根本上改变任务难度。例如，现在旋翼机能在岩石磷磷的区域、陡峭的悬崖和峡谷执行任务。目前选址小组正在对科学研究目标和在各目标地点实施任务的难度进行权衡，从而帮助美国国家航空航天局总部缩小方案的选择范围并做出最终决定。如果未来火星任务有其他可选方案，旋翼飞行器的使用可能会发生改变。

更先进的概念设计方案

除了这些早期概念以外，科研人员一直在关注能满足特定任务响应、更先进的概念设计。例如，一些先进概念机采用了倾转旋翼设计，将具有更大的航程和续航时间，可对火星上4023m长的“水手”峡谷（Valles Marineris）等区域进行大范围勘测。

在火星执行飞行任务，须要重点考虑旋翼的控制系统设计和旋翼重量大小。“机智”号是太阳能无人机，由太阳能电池板采集能源，如果尝试由机翼提供升力，并在机翼表面安装太阳能电池板，可能会产生积极的效果。但是，在火星上这种机型进行飞行姿态转换，可能会非常困难。

八旋翼无人机是另一种先进概念方案。由于火星大气稀薄，无人机飞行需要尽可能大的旋翼面积，考虑到最大推力并兼顾装入航天器减速伞装置中方便运输，这种构型是折中方案。美国国家航空航天局的一个设想是，将每个旋翼桨叶扫过的面积进行重叠，可节省空间。旋翼的高度与纵列式直升机相似，也可以将其设计为共轴式多旋翼甚至倾转旋翼。

作为“火星科学直升机”项目技术验证的先驱，“机智号”此次首飞成功，将为后续火星探测带来更多可能。该项目任务还没有完成，美国国家航空航天局正在推动“火星科学直升机”项目发展。