人类刚给火星送去Linux系统,以及一款安卓手机芯片

” 确认着陆!毅力号安全到达火星表面。”

就在今天凌晨 4 点 55 分,美国 ” 毅力号 ” 不经变轨,直接冲入火星大气层,最终成功着陆。

” 毅力号 ” 成功着陆后,很快传回了首张图片。

这是美国自 2012 年以来,再一次以 ” 空中吊车 ” 的方式成功着陆火星,还给火星 ” 带 ” 来了首个开源 Linux 系统以及飞行软件框架 F Prime。

F Prime 装在名为 ” 机智号 ” 的无人机上,由毅力号携带到火星。

这也是直升机技术在地球外的首次使用。

值得一提的是,” 机智号 ” 上面,搭载的是高通骁龙 Robotics Flight 801 平台。

其实它的核心就是 2014 年旗舰手机上的高通骁龙 801 芯片,与小米 4 同款(7 年前用过的手机 SoC 现在登陆火星了)。

” 空中吊车 ” 式着陆

与 ” 好奇号 ” 相似,这一次 ” 毅力号 ” 同样以 ” 空中吊车 “(sky crane)的方式着陆火星。

这种方案,会将着陆器分成两部分,上部分是一个空中吊车,自带 8 个强力反推火箭,下部分则是火星车。

从保护罩中被释放后,” 毅力号 ” 火星车将被吊车悬挂,通过尼龙绳和负责信号、控制指令传输的电缆,连接 ” 吊车 ” 并报告实时状态。

吊车稳定接触地表后,将瞬间切断尼龙绳和电缆,并用尽所有能量飞离 ” 毅力号 ” 火星车、并坠毁。

这次,” 毅力号 ” 在降落过程中,采用了 2 项新技术。

其一,为了尽可能降低着陆过程中的风险,在降落过程中,” 毅力号 ” 会快速拍照,通过距离触发技术,评估与火星地面的距离。

期间,” 毅力号 ” 被包裹在保护隔热罩中,在穿过大气层后,打开降落伞减速降落。

在这之后,隔热罩就会飞离,与吊车和火星车分开。

接下来,将采用第二项技术,即地形相对导航技术。系统利用这一技术,将着陆器拍的照片与机载地图相比较,确定着陆区环境,避开危险地形。

这次,” 毅力号 ” 降落的地点 ” 耶泽罗陨击坑 “(Jezero crater)附近散布着巨石、悬崖和沙丘,地势较为严峻。

但通过地形相对导航技术,吊车凭借点燃的 8 个反推火箭,引导 ” 毅力号 ” 避开了危险区域,最终成功着陆。

这次,毅力号还携带了两个麦克风(也是麦克风第一次被送上火星),来倾听火星上的声音。

这次将完成什么任务?

这次,” 毅力号 ” 火星车带来了 7 台重要仪器。

包括全景相机、激光测距仪、X 射线光谱仪、紫外光谱仪、制氧器、气象观测设备、雷达等等。

这次它的主要任务,首先在着陆的火星远古湖泊地形中寻找生命可能存在的证据。

第二项任务,是采集火星地表土壤和岩石样本,并就地封存,等待今后 NASA 的火星任务将它取回来。

其它两项任务,包括探索着陆区域的地质多样性、为未来的火星任务验证新技术,这其中就包括了无人机的首飞实验,以及为登录火星的宇航员制备氧气。

火星首飞无人机,有什么黑科技?

重达一吨的毅力号火星车,史无前例的巨大和复杂,搭载了近十种科学仪器和探测设备。

但是,即使如此,火星车仍然有很大的局限,难以满足人类探索的好奇心。

首先是受制于火星严酷的环境条件(平均 -63 ℃),火星车的移动速度十分缓慢。

人们最为熟知的 ” 好奇号 ” 迄今为止已运行了八年多,才累积行驶了 22 公里,平均速度还没有蜗牛快。

其次是火星车 ” 越野 ” 能力不足,无法进入山谷、坑道、悬崖等复杂地形作业。

于是,NASA 的研究人员就想了一个办法来扩展火星车的视野——无人机。

即将进行史上首次火星飞行的无人机机智号 (Ingenuity),藏在火星车腹舱内一起登录。

第一次登陆火星的机智号并没有承担任何具体的科研任务。

它的主要使命,就是验证无人机在火星环境中的可行性,收集飞行和火星大气数据,为今后能真正执行任务的无人机迭代经验。

那么,人类首架火星无人机,要克服哪些地球上没有的困难,又有哪些黑科技和看点?

只有 1% 大气压也能飞

给火星车配一个无人机,其实这个点子不难想到,真正的难点在于:怎么让它飞起来?

火星表面的重力大约只有地球的1/3(38%),看起来似乎很容易起飞,但有一点非常致命:火星大气的密度只有地球的1%。

这相当于在地球上 3 万米以上的高空起飞,而目前的高原型无人机,也不过可以确保最高在 6500 米的海拔正常飞行。

除了大气密度低,火星上的音速也比地球低不少,只有 240 米每秒。

如果叶片的自旋末梢速度超过音速,就会引发强烈的颤振,所以要把叶片的转速限制在每秒 40 转之内。

限制转速,又要有足够升力,这就要求整个设备不能过重。

最终的方案是无人机全重 1.8 公斤,高 0.5 米。采用顶部安装两对碳纤维螺旋桨来提供动力,直径 1.2 米,设计转速可达每分钟 2400 转,功率 350 瓦。

测试阶段,NASA 的 JPL 实验室准备了一个名叫 ” 空间模拟器 ” 的巨大房间,可以模拟无人机在离开地球之后可能面临的各种极端气温,以及火星大气、重力环境。

最终,机智号实现了在 -90 ℃的模拟火星环境下正常工作,水平移动的速度为 10 米每秒,爬升速度为 3 米每秒。

实现基本功能后,无人机还有一个重要挑战,就是通信和控制。

但火星和地球距离有10 光分左右,不可能实现实时控制。

注:光分,即光在真空中一分钟所行走的距离。

所以,研究团队设计了一个指令列表,预装在毅力号上,由火星车对无人机进行通信指挥。

所以,机智号不能离火星车太远,设计的 4 次飞行测试,范围都不超过 50 米,时间也在 90 秒之内。

飞行中,无人机会捕捉图像,而毅力号也有可能拍下一些机智号盘旋在空中的图像。

首架火星无人机,7 年前手机同款芯片

你没看错,火星无人机上用的处理器,就是小米和其他很多普通民用手机的同款。

而且,还是 7 年前的旗舰手机小米 4同款芯片——高通骁龙 801(28nm 制程)。

为什么选择民用产品?

最重要的原因是,无人机对实时数据处理要求更高,包括飞行时的姿态控制、图像处理等等任务,而火星车上搭载的成熟产品不能满足要求。

一般来说,为了保证航天任务的成功率,传统航天器使用的设备,都偏重成熟稳定型号。

比如好奇号火星车的电脑使用的 CPU 是 PowerPC 750(150nm 制程,最高主频 200MHz),其他的硬件配置也很低。

但由于机智号本身是实验验证性质,NASA 反到愿意承担一些风险,特别允许项目组在市场上采购民用产品。

最终选定的骁龙 801 处理器,除了体积小、抗辐射指标达标之外,算力更是比毅力号火星车上的处理器高好几个数量级。

除了处理器,机智号无人机的导航设备,包括惯性测量单元 IMU、激光测距仪等等设备,都是通过电商平台 SparkFun 购买的,而且它们都是普通的手机级硬件。

这些民用品能不能在火星上与航天军工产品一较高下,很快就会见分晓。

首个火星无人机代码,开源!

NASA” 一声炮响 “,给火星送来了 Linux 系统「手动狗头」。

没错,成功着陆的毅力号火星车,第一次把 Linux 操作系统带上了火星。

之前的 NASA 的火星探测器,使用的是 VxWorks 商业操作系统。

使用 Linux 系统的设备,正是即将进行史上首次火星飞行的无人机机智号 (Ingenuity)。

而且,NASA 的喷气推进实验室为火星无人机开发的 Linux 飞行控制系统,开源了。

随着美国 ” 毅力号 ” 着陆、并开始进行一系列任务的同时,我国的 ” 天问一号 “,也已经在进行着陆的准备。

天问一号怎么样了?

目前,天问一号已经于 2 月 10 号入轨,并计划于 5 月左右,实施火星车登陆任务。

与毅力号直接进行 ” 空中吊车 ” 着陆的方式不同,天问一号将采用动力下降进行着陆的方式,即火箭反推悬停降落技术。

就是说,反推火箭会一直工作,直到着陆器降落到火星表面。

相比于着陆器本身,这项技术需要的燃料罐和反推火箭体积更大,传感系统也都装在着陆器底部。

由于燃料罐和反推火箭没有办法在着陆前完成脱离,因此,着陆腿需要足够重,以降低着陆器的整体重心,提高着陆安全性。

这也是目前最安全的着陆方案,着陆后,着陆器将放出火星车。

天问一号携带的火星车,采用太阳能供电,设计寿命 90 天。

如果最终这辆火星车成功着陆并运行,将成为人类史上首个一次性完成 ” 绕、落、巡 ” 的火星探测器。

期待它在 5 月份的表现。

NASA 火星无人机开源地址:

https://github.com/nasa/fprime

参考链接:

https://www.wired.com/story/nasa-lands-the-perseverance-rover-on-mars/

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00432-1

https://arstechnica.com/science/2021/02/what-to-expect-from-the-dramatic-mars-perseverance-landing-on-thursday/

https://spectrum.ieee.org/automaton/aerospace/robotic-exploration/nasa-designed-perseverance-helicopter-rover-fly-autonomously-mars

https://www.futurezone.de/science/article216775269/Der-Mars-Hubschrauber-funktioniert-die-NASA-hats-bewiesen.html

量子位
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