【最棒的一架無人機】

來源: 於 2026-02-04 17:43:12 [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀：次

最棒的一架無人機

作為“遙控飛行器”。無人飛機幾十年前就有，承擔軍事偵察、航拍、高風險巡檢等任務。最近這十幾年，隨著廉價的高性能控製器、高清攝像頭、高性能電池、定位和通訊模塊等關鍵部件的成本迅速下降，無人機在全球大爆發。比如無人機攝影被廣大旅遊者和攝影愛好者廣泛使用；俄烏戰場上的幾百刀的簡單無人機可以幹掉價值幾十萬的坦克或對設施造成不可估量的損失；中國帶彩色LED的無人機群美輪美奐的節日慶典表演；無人機被用於各種類型的從空中俯視的測量；美國軍方的1.3億美刀一架的Global Hawk偵察機……

說實話，這些無人機在我的心目中都沒有太高的地位，都是幾十年前就有的無人機的me too。（就好比說，後來的人類駕駛的飛機甭管多好，都是1903年萊特兄弟實現人類第一次飛行的me too。）

在我的心中，最棒的、空前絕後的無人機，是那架2021年4月至2024年1月在火星（Mars）上飛行的小直升機Ingenuity——

這架直升機原計劃在火星上一個月內飛行5次，證明域外的飛行的可能性。然而它卻存活了1004天，飛行了72次。2024年1月，當它最終折戟沉沙的時候；我想寫點什麽紀念一下，但一直犯懶沒寫。一轉眼，兩年過去了。

 

** 遙遠而又令人神往的火星**

火星是太陽係八大行星中距離太陽第四近的行星，居地球和木星之間。它的直徑是地球的53%，表麵重力加速度為0.38 g。古羅馬神話中的“戰神”，也被稱為“紅色星球”。其橘紅色外表是因為地表土壤富含氧化鐵。

古往今來，人類對火星的了解，是一種融合科學與想象的情結。最早，火星隻是一顆在天空中顯眼的紅色亮點。紅的顏色常被聯想為戰神或災難的象征，這種神秘感引發人們創造了不少神話故事。文藝複興之後，隨著望遠鏡的發明，人們第一次看清它表麵的明暗不均，誤以為那是河流、海洋甚至運河，這些觀念在19世紀被進一步文學化，甚至有人相信有“火星人”的存在。

對火星真正係統的科學興趣始於20世紀。隨著太空探測技術的進步，人類逐步揭示了火星的麵貌：它的大氣主要由二氧化碳構成，非常稀薄，它表麵布滿峽穀，大部分時間環境極端寒冷。1960-1980年代，火星探索又成了蘇美太空競賽的一部分，但美國的軌道探測（Mariner Program）和著陸探測（Viking Program）要成功得多。比如1964 年 Mariner 4首次成功飛越火星並拍攝近距離照片，證實火星上根本沒有什麽“運河”。Viking 1 於 1976 年在火星上成功軟著陸，並開展科學實驗。

從30年前開始，人類進入了在火星表麵長期自主移動、開展係統科學探測的火星車時代。先後通過飛船把5輛火星車送上火星表麵 — 旅居者號（Sojourner，1997年），勇氣號（Spirit，2003年）、機遇號（Opportunity，2003年），好奇號（Curiosity，2012年），毅力號（Perseverance，2021年）。

五年前升空的毅力號不僅是重達一噸多的大型火星車，承擔複雜的研究任務（至今仍然正常工作），而且不同尋常的是，它把一架小直升機Ingenuity也帶上了火星 ——

 

**別出心裁的想法 **

火星直升機項目的起點可以追溯到 2013 年，當時 NASA 的一些年輕工程師提出了“在火星飛行”的設想。這個想法並沒有得到熱情的支持，有些資深專家持保留意見。結果NASA隻給這個項目8千萬美元的預算。 這筆錢，少於好萊塢大片的預算，也比一架隱形戰機或大型客機便宜。經過多年研發和驗證，最終決定將其搭載在毅力號上，於 2020 年 7 月與火星車一同從地球發射。

設計和測試火星直升機 Ingenuity 的團隊，是一個高度跨界、分層協作的係統工程團隊，其核心在 NASA 噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL），同時又吸納了大量外部專業力量。

因為沒有現成的“火星飛行器”範式，JPL 選擇在內部組建一個小而精的試驗性團隊，由緬甸裔工程師Mimi Ong領導，研究中時常采用快速試錯策略和非常規決策。這個團隊在關鍵技術節點上大量引入航空、機器人和計算機視覺領域的專家，刻意保持小規模、高自主權和強跨界協作。

 

從上麵這個錄像我們看到，Ingenuity 核心團隊整體很年輕，這在 NASA 的深空任務中相當突出。Ingenuity 當初的定位並不要求實用，更不需要完美，而是偏重於一個“技術演示”（technology demonstration）。Ingenuity飛行並非 Perseverance 火星車的主要任務。從一定意義上講，它是一個探索是否可能改變行星探測範式的小型風險項目。這樣的項目，往往更適合交給處於職業生涯早、中期的工程師，他們技術背景紮實，對新算法、新硬件、新工作流程非常熟悉，也更有勇氣在不確定性中快速決策。NASA 內部早有一種默契，這類項目一般交給年輕人唱主角。NASA 很清楚，如果要想把這個項目從一次奇跡變成一個新領域（比如域外航空探測），就必須盡早培養一代新人。讓年輕工程師親手把 Ingenuity 飛起來，就是為未來對火星與域外其他有大氣的星球的探測的新範式，埋下了人才的種子。

另一方麵，Ingenuity 的技術要求本身就年輕。像自主導航、視覺圖像處理、軟件快速迭代這些無人機與機器人領域的前沿實踐，都不是深空探測器的傳統工程範式。很多關鍵崗位的工程師盡管年輕，卻已經在相關領域積累了豐富的經驗。

 

** 在火星上飛行的巨大挑戰 **

Ingenuity 有個綽號Ginny，被翻譯成“小機靈”，它實在是又小又輕，質量不到1.8公斤，在火星的重力下，隻有約0.7公斤（物理學上嚴格地說應該是“約7牛頓”）。

即便是做成這樣一個小家夥，要在火星上飛行，須麵對非常嚴峻的挑戰。最大的困難是火星大氣稀薄 ，很難產生足夠的升力。地球海平麵大氣壓約101 kPa（千帕），而火星的大氣壓隻有610Pa，也就是說火星的大氣壓隻有地球海平麵大氣壓的0.6%，約相當於地球上35000米高空的大氣壓，簡直快要是真空了。而地球上直升機的升限隻有幾千米。解決的辦法是，Ingenuity 使用 直徑 1.2 米的超大雙旋翼，並且轉速高達 2400 轉/分鍾（地球無人機一般 400–600 轉/分鍾），才勉強產生足夠升力。而且這些旋翼都用極輕的碳纖維製成。

第二個重大挑戰是火星表麵極端的溫度和巨大的溫差，火星中午陽光下表麵溫度最高可達30°C，夜間可降到 -100°C。這是地球上任何飛行器都不會遇到的嚴酷環境。小機靈沒有其他能源，隻能依靠機身頂部的小型太陽能電池板充電，它的鋰離子電池充滿後儲電40Wh，在夜晚消耗掉三分之二電能給電池、馬達、傳感器、照相機和飛控計算機保溫，否則設備會被凍壞。因此，小機靈的飛行一般都是上午11點左右，電池中的電夠飛60-120秒，然後能在白天充足夠的電供夜間保溫。

小機靈遇到的第三個大挑戰是導航和定位。這個對於地球上的無人機不是問題。它們可以直接利用GPS，或者操作者通過無線電告訴它往哪兒飛。但這對於火星直升機不可能。火星沒有GPS係統。而且火星實在太遙遠了，它最近距地球也有5千6百萬公裏，最遠（在太陽另一側）達4億1千萬公裏，（電磁波需要3 ~ 22分鍾從地球傳到火星），這樣長的通訊延遲，不可能實時遙控（比較一下：月球距地球38萬公理，通訊延遲僅1.3秒）

因此，小機靈必須完全依靠機載計算機和導航算法實現自主飛行。它帶有黑白和彩色兩個攝像頭識別地麵特征，載有慣性測量單元（IMU）提供加速度、角速度數據，經計算機綜合後提供高度和航向引導。這一切，居然都被NASA科學家集成到一個小小的火星直升機裏，了不起！

** 從地球到火星  **

如果不考慮科幻設想、隻依據目前已驗證過的工程技術，一艘從地球出發的飛船到達火星，實際上要經曆一條相對成熟、但每一步又容不得差錯的技術路徑。它大致可以分為：地球出發與逃逸、地火轉移飛行、火星捕獲與變軌，以及進入-下降-著陸四個階段。這套流程，幾十年來在飛往火星和其他行星的無人探測器上已經被多次成功實踐。

從地球出發階段看，飛船首先必須進入近地軌道，然後通過一次或多次發動機點火，其目的是讓飛船達到或略高於地球逃逸速度，並把飛行軌道與未來火星所在的位置重疊。現代任務多采用“霍曼轉移軌道”（Hohmann transfer orbit），半年多後飛船軌道與火星軌道相交。飛船的整個飛行距離約5億公裏，要飛七個月左右。這是一條與火星漸行漸近的弧線。

當飛船接近火星時，需要“製動”（breaking）來被火星引力“捕獲”，避免速度太快掠過火星而飛走。製動可以點火反推或利用火星稀薄的大氣，如今許多軌道器采用“推進製動 + 氣動製動”相結合的方式，逐步將軌道調整為理想的工作軌道。

真正技術難度最高的是著陸階段。當著陸器以極高速度切入火星大氣時，首先依靠防熱盾進行氣動減速和熱防護；隨後在速度降到一定範圍後，打開降落傘進一步減速；在接近地麵、傘降已不再有效時，再啟動反推發動機完成最後的減速與軟著陸。如果是比較小的火星車，還可用氣囊減震著陸（airbag landing）。所有這一切，都是在飛船計算機的控製下自動完成。遠在上億公裏以外的NASA科學家完全不可能實時操控，隻能等著飛船落地後傳回來的信息。之前的那一小段時間，對於NASA監控室裏的人們是很難熬的。

下麵這個短片，我強烈推薦，很酷。我們可以看到，在飛往火星的途中，曾經裝滿燃料的火箭早期用完即扔。真正飛去火星的隻是火箭尖部裝有火星車的很小的一塊。它們在真空中飛行是不需要動力的。注意這個模擬錄像是十幾年前的，模擬的是20年前勇氣號和機遇號去火星的過程。後來的的兩艘過程很相似，但最後沒有用減震氣囊，而是用反推火箭，因為後者一噸左右，太重，氣囊已經不合適了。

 

** 超越極限 **

小機靈隨毅力號到達火星後，NASA的科學家們慎之又慎，用了60天的時間將其從火星車下腹分離。然後又用了一個月時間測試了計劃中的5次飛行，飛行高度距地麵3 - 5米，飛行距離最多300米，每次飛行不超過3分鍾。小機靈表現優異，這是人類首次實現飛行器在其他星球的起降飛行。

Ingenuity 的設計留有很大餘地。基本的目標隻有一個：在大氣極其稀薄、環境極端的火星上，通過螺旋槳產生足夠升力從而實現飛行。5次試飛行已經使得計劃圓滿成功（哪怕離地飛幾秒鍾，就算基本成功）。然而既然表現如此優異，NASA就給團隊增加新的任務，並賦予小機靈新的使命——為毅力號火星車探路，提供空中偵察和地形影像。這就使得 Ingenuity 從一個演示項目轉變為實用工具。

當初的5次演示飛行，團隊對地形條件了如指掌，每次試飛前模擬很多次，力求萬無一失。然而作為實用工具，探索的就是未知領域。在近三年時間裏，小機靈十分出色，它經曆了火星冬季的嚴酷和充電不足，火星沙塵暴、數次因故障的緊急降落。在飛行方式上也挑戰極限，它後期的飛行高度提高到25米，飛行速度從每秒2米提高到每秒10米，大大提高了探測範圍。而它拍攝的大量航拍照片，先傳給毅力號火星車，火星車再傳給在軌的火星衛星，最後通過衛星傳回地球。很多照片角度新奇，不是表麵火星車能夠拍攝得了的。

 

小機靈在2024年1月第 72 次飛行的著陸過程中，其旋翼葉片受損，任務正式結束。它不僅完成了設計目標，更是在近三年時間裏超越了極限，是了不起的壯舉。

地球是人類的搖籃，但人類不能總是生活在搖籃裏。智慧者和勇敢者們在上世紀中葉開始把目光投向地球之外，開始書寫人類航天的曆史篇章。在這本大書裏，2021 年是一個值得記一筆的年份 — 小型直升機Ingenuity隨NASA的Perseverance火星車來到火星表麵，並在隨後的三年裏實現了幾十次飛行。它是人類曆史上首個在地外星球實現受控飛行的動力航空器。Ingenuity 的誕生，不僅是航天工程的一個壯據，更是人類智慧和勇氣的象征。在我的心目中，它將永遠是最棒的一架無人機。

 

另：

1. 比毅力號僅晚3個月，中國的“ 祝融號”火星車於2021 年 5 月 15 日在火星成功著陸，中國由此成為世界上第二個實現“環繞—著陸—巡視”全流程成功的國家。“ 祝融號”質量 240 kg，設計壽命為 90 個火星日（sol），但實際工作時間大大超出這一指標，盡管在 2022 年進入火星冬季休眠狀態後，未能再次喚醒。中國的航天工業早期有些蘇聯和美國因素，自己又潛心積累了70年，彎道超車之類的浮誇少，總體水平很高，穩坐世界第二。

2. 我一年前在一篇博文中談到，2026 – 2028年是人類重返月球的“阿爾特密斯計劃”（Artemis program）的關鍵年份。第一階段的不載人返回後，發現 “獵戶座”飛船底部的隔熱罩出現損壞。需要比較大的改進，所以整個2025年都沒有發射。現在，4名宇航員準備就緒且已經隔離，第二階段的載人繞月（不登月）飛行很可能很快開始，火箭可能幾天內就將升空。最新的消息說，對隔熱層進行徹底改造需要數年的時間，不可接受。NASA認為隔熱層的問題可能並不是那麽嚴重。他們對返回的角度作了少許調整，減少了返回艙在大氣層中的時間。對於這種小修小補，一些專家提出了批評，認為是冒險的…… 我對此不持觀點，衷心希望飛行順利成功。




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