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“机智”号

“机智”号

机智号（Ingenuity）是美国毅力号火星车搭载的小型无人直升机，也是首架在其他行星飞行的直升机。由美国一高中生命名。机智号总重1.81公斤，宽约1.2米，由4片桨叶、天线、太阳能电池板、航空汽车传感器、传感器和摄像头、四个着陆架以及电池组成。

机智号于2020年7月30日搭载在毅力号上，在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。2021年2月18日，机智号搭载毅力号于15时55分许在火星赤道以北的耶泽罗陨石坑着陆。2021年4月19日，机智号直升机在火星完成首飞。2024年1月25日，NASA发表声明称，机智号于1月18日第72次飞行期间多个旋翼叶片在着陆过程中受到损坏，无法再飞行；并宣布机智号火星直升机在超额完成原计划的飞行次数后，已经正式结束其在火星上的任务。机智号最初设计为在30天内进行最多5次实验性测试飞行的技术演示，但其最终在火星运行了近三年，进行了72次飞行，累计飞行时间约128.8分钟，高度高达78.7英尺（24.0米），累计飞行距离10.5英里（17.0公里）比原计划远14倍多。

机智号的飞行是人类设计的飞行器在另一个星球的首次制动飞行。它是人类太空探索史上的一个里程碑事件。任务团队通过机智号验证在火星大气层飞行所需要的技术，将为研发未来机器人或人类探索火星时携带的先进飞行器打下基础，使其他先进的机器人飞行器成为可能。

项目历程

任务目标

机智号火星直升机是一项实验性技术测试，主要目标是试验这种航空器在火星上飞行的实际效果，证明其在稀薄的火星大气（该大气层仅占地球大气层密度的1％）中可以实现自主、受控飞行，为今后使用航空器在其他行星开展探测进行先锋式的技术验证。机智号的任务本质上是实验性的，完全独立于火星探测车的科学任务。计划在30天的演示窗口内，最多会尝试5次试飞。

研制过程

2014年，美国航空航天局(NASA)开始研制机智号，位于南加州的NASA喷气推进实验室的工程师们知道，在火星稀薄的大气环境中理论上是可以飞行的，但是没人能确定他们是否能够制造出，既可以在其质量的极端限制下实现自主升力飞行，同时还能抗得住火星“至寒”夜晚的直升机。由于火星大气层的密度比地球大气密度低99％，因此机智号必须轻巧，定子和转子叶片要比其在地球上所需的转子叶片更大，旋转速度也要快得多。同时，火星在毅力号的降落点夜间温度可低至零下90摄氏度，低温将抬高机智号使用的现成零件的原始设计极限。在这个温度下的地面测试虽然表明各部件均没问题，但该团队希望在火星上进行真正的测试。

2014年至2019年的艰苦谨慎的摸索过程中，喷气推进实验室的工程师证明，有可能制造出重量较轻，能够在火星稀薄的大气层中产生足够升力，并能够在类似火星的环境中生存的飞机。他们在实验室的特殊空间仿真器中逐步测试了更高级的模型。在2019年1月，机智号直升机通过了最终飞行评估。

名称由来

2019年，为激发全美青少年对航天任务的兴趣，美国航空航天局于秋季举行为美国下一代火星探测车“火星2020”正式命名的比赛。全美共有2.8万名中小学生投稿。

2020年3月，航天局宣布选中Perseverance-毅力一词作为下一代火星车“火星2020”的正式名称。此后，航天局又从候选词条中选出了火星直升机的名称Ingenuity-机智。机智号这一名字来自美国亚拉巴马州诺斯波特的高中生瓦妮扎·鲁帕尼的提议。

基本设计

桨叶

NASA在机智号上采用了共轴反转旋翼设计，同时使用电动机驱动，其旋转速度几乎为每分钟3000转。旋翼系统使用4片由碳纤维特殊材料制造的桨叶，旋翼直径为1.2米，上下旋翼旋转方向相反，抵消了扭矩，能够在火星稀薄的大气层中提供升力。使用共轴反转旋翼设计简化了直升机的结构，有利于折叠放置在火星探测车腹部；共轴反转旋翼具备较好的抗侧风性能，悬停效率较高，可对抗火星上可能出现的阵风。其中机智号旋翼叶片上的斜盘组件能够通过反复驱动清除灰尘和沙子。

天线

在机智号太阳能电池板顶上的一个小的突起是小型二极管，可以与毅力号火星车或者火星轨道器直接通信并通过他们实现与地球之间的数据传输。

太阳能电池板

用于给电池充电，机智号可自行利用太阳能电池板充电。

航空电子设备

机智号的航空电子设备（或称“大脑”）可以帮助直升机运行和导航；机智号搭载的是一块手机芯片骁龙801。机智号使用民用芯片成本相对来说比较低，因为该直升机只是进行简单的实验飞行，不参与重要科研任务。

直升飞机有夜间生存的加热装置，机身外表有隔热层和加热器，为内部的设备抵御火星寒冷的夜晚。机智号能够在火星寒冷的夜晚实现温度的自主调整。

传感器和摄像头

机智号和基站使用UHF电信链路（900MHz）相互通信。该系统可以以每秒250KB的速度在最远3,300英尺（1,000米）的距离内中继数据。在飞行过程中，单向数据流将从直升机实时发送到漫游车进行存储，然后重新传输到地球。着陆后，直升机将重新传输飞行中的数据流和飞行中的其他数据。

传感器可以获知机智号当前的飞行速度和方向，摄像头充当机智号的“眼睛”。机智号机身底部有一个黑白0.5百万像素的向下导航摄像头；以及一个彩色1300万像素地平线地形摄像机位于机身底部边缘。

着陆架

直升机的机体有四条着陆腿。使用超轻的碳纤维管制作而成，能够提供足够的支撑力。

电池

机智号火星直升机由一套六个锂离子电池系统供电，该系统每天通过位于其旋翼系统顶部的太阳能电池板充电。太阳能电池板阵列中的太阳能电池针对火星上遇到的太阳光谱进行了优化，储存的能量用于在寒冷的火星夜晚为加热器供电，以及在飞行操作中为直升机供电。直升机在最多90秒的飞行过程中消耗的功率约为350瓦。

性能参数

参考资料

任务执行

登陆火星

2020年7月30日19点50分，机智号搭载在毅力号上，在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。

2021年2月18日，机智号搭载毅力号于美国东部时间18日15时48分许（北京时间19日4时48分许）进入火星大气层，在7分钟内完成进入、下降和着陆，于15时55分许在火星赤道以北的耶泽罗陨石坑着陆。

2021年4月3日，机智号被毅力号由腹部部署到火星地面，4月4日，机智号顺利度过在火星杰泽罗陨石坑的第一个夜晚（杰泽罗陨石坑夜间温度可能低至零下90摄氏度）。4月8日，美国航空航天局的机智号直升机对其叶片进行了缓慢旋转测试，这是该任务的第48个火星日。

2021年4月18日，NASA宣布，机智号直升机的首飞将于4月19日举行。NASA预计，4月19日将进行无人直升机火星首飞的时间大概是美东时间3点30分（北京时间15时30分）。NASA称，这种“前所未有”的直升机操作非常危险，但表示它可以获得关于火星条件的宝贵数据。

飞行记录

2021年4月19日，美国航空航天局机智号直升机在火星完成首飞。4月22日机智号完成了第二次飞行，并拍下了一张机智号在杰泽罗陨石坑表面的阴影图像。5月7日，美国航空航天局公布了机智号在火星上第四次飞行时的声音，这是人类首次在地外星球通过探测器录制另一架航天器发出的声音。次日，机智号完成了第五次火星飞行。凌晨3点26分，机智号空中机器人从火星表面的“莱特兄弟机场”起飞，在爬升至距离地面约10米高后向南飞行了129米的距离，随后顺利降落在了新着陆点。

2021年5月27日，美国机智号火星直升机完成在火星上的第6次飞行。由于飞行过程中导航系统发生故障，机智号遭遇大幅度的持续晃动，所幸最终安全着陆。7月5日，机智号火星直升机完成了第九次飞行，它以5米/秒的速度飞行了166.4秒。

2021年7月5日，机智号完成了第九次飞行，并在飞行过程中发现了火星上“凸起的山脊”。

2021年7月21日，机智号完成了第十次飞行，它起飞后，先是爬升至40英尺（12米）的新纪录高度。然后，直升机进行了四次航向改变，并用旋翼机的彩色相机拍摄了10张照片，并用其中两张图像组成了3D图像，为漫游者团队在计划科学活动的下一步时提供了更丰富的视角。

2021年8月16日，机智号完成了第12次飞行，并在飞行过程中拍摄了火星杰泽罗陨石坑“南塞塔”地区的沙丘、巨石和岩石露头。

2022年3月12日，美国航空航天局喷气推进实验室宣布，机智号火星直升机在火星上完成第21次飞行。这架小型旋翼飞机以每秒3.85米的速度飞行了370米，在空中停留了129.2秒。

2022年3月22日，NASA喷气推进实验室宣布，机智号火星直升机上周末完成第22次飞行，飞行时间101.4秒，最高飞行高度10米。根据美国航空航天局的记录，自2021年4月成功首飞以来，机智号在火星已累计飞行超40分钟（约2430秒）。

2022年4月18日，美国航空航天局机智号火星直升机上的导航摄像头拍摄的视频显示，该直升机进行了创纪录的第25次飞行。它以2,310英里/小时（每秒12米）的最高速度覆盖704英尺（5.5米），是迄今为止旋翼机最长、最快的飞行。

2022年4月19日，机智号完成了第26次飞行，并在26 英尺（8 米）的高度拍下了毅力号火星探测车后壳、超音速降落伞和相关碎片的图像。

2022年4月23日，机智号完成了它的第27次飞行，并在飞行过程中拍摄了火星杰泽罗陨石坑古老河流三角洲附近的山脊线的完整图像。

2022年5月3日，机智号火星直升机因电力不足与美国航空航天局喷气推进实验室的直升机飞行控制团队失去联系。随后，控制团队命令“毅力号”火星车暂停所有正在进行的科学活动一整天，专心聆听机智号的呼叫。24小时后，控制团队联系上了机智号直升机。

2022年7月16日，因现在是机智号火星直升机所在地区的冬天，空气中的灰尘更多，可用来帮助机智号电池充电的阳光更少。据预测，尘埃水平会在7月下旬消退，因此该团队决定让机智号直升机休息几周，以便重新建立其日常充电状态。根据天气状况，预计机智号将在8月初左右回到空中。

2022年10月2日，机智号已经度过了一个艰难的冬天，并重新开始飞行，最近完成了自2021年2月与毅力号探测器一起登陆火星以来的第33次飞行。10月4日，据《印度快报》报道，美国航空航天局的火星无人直升机机智号最近的一次飞行中，发现有东西卡在了它的“脚”上。

2022年11月23日，机智号完成了第34次飞行，此次飞行是机智号在更新软件功能“着陆时避险和使用数字高程图帮助导航”后飞行，此软件更新增加了着陆时的危险规避功能。

2022年12月3日，机智号火星直升机进行了在火星的第35次飞行，并且创造了一个新的飞行高度纪录。

2023年1月13日，美国喷气推进实验室（JPL）发布推文，表示美国航空航天局的机智号无人机成功完成第39次飞行，在空中停留时间为79秒。4月13日，美国宇航局的机智号火星直升机已经完成了在火星上的第50次飞行。，在145.7秒内飞行了1,057.09英尺（322.2米）。这架直升机还创下了59英尺（18米）的新高度记录，然后在半英里宽（800米宽）的“贝尔瓦陨石坑”附近降落。

2023年4月26日，机智号在火星的杰泽罗撞击坑的地表完成了第52次飞行，然后就失去了信号。6月28日，机智号通过其机器人伙伴——毅力号火星探测车与地球的操作人员取得了联系。这是自4月26日以来，机智号首次与地球联络。

2023年12月22日，机智号完成了第70次飞行，在第 70 次飞行中，“机智号”滞空 132 秒，飞行了超过 260 米，并且在飞行过程中捕捉到了火星丘波纹的画面。

任务结束

2024年1月18日，机智号火星直升机在完成第72次飞行后，在着陆前与地球失去了联系，直升机下降了大约1米。美国当地时间2024年1月25日，美国航空航天局（NASA）发表声明，宣布机智号火星直升机在超额完成原计划的飞行次数后，已经正式结束其在火星上的任务。声明称，机智号最初设计为在30天内进行最多5次实验性测试飞行的技术演示，但其最终在火星运行了近三年，进行了72次飞行，飞行距离比原计划远14倍多。据声明表示，机智号于1月18日第72次飞行期间多个旋翼叶片在着陆过程中受到损坏，无法再飞行。