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机智号快飞了！一文看懂带它的毅力号，与天问一号的区别

haha04-05 02:20浏览 78
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火星车，严格来说应该称之为：火星巡视器。
巡视器：Rover (space exploration)。

发射

2020年7月30日，毅力号（Perseverance）搭乘美国联合发射联盟公司（ULA）的宇宙神5型运载火箭，从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。
宇宙神5型运载火箭首次发射时间为2002年8月21日，技术来源是一款从老产品宇宙神2型及3型（没有4型）发展而来，箭体直径3.81m。
2021年2月18日，历时203天后，毅力号火星车顺利在火星上着陆。
着陆地点：耶泽罗陨石坑（Jezero crater）
着陆后拍下第一张照片
这个风格与好奇号是一样的，因为毅力号也是由好奇号团队研发的。
这是好奇号着陆后第一张照片：
之所以选择在耶泽罗陨石坑着陆，是因为这一区域极有可能发现过去微生物生命存在的迹象。
约30亿至40亿年前，一条河流流入耶泽罗陨石坑当时所在区域，形成了充满碳酸盐矿物和粘土的冲积三角洲。
毅力号团队认为，这个古老的三角洲地区可能能找到有机分子或其他潜在的微生物的曾经存在过的生命迹象。
当然代价是更大的任务失败风险
——毅力号降落的地点耶泽罗陨石坑附近散布着巨石、悬崖和沙丘，地形复杂，地势严峻，稍有失误就会导致任务失败。
2020年7月23日，天问一号搭乘长征五号火箭从海南文昌发射升空，时间比毅力号还要早一周。
长征五号是长征最新一代液体捆绑式重型运载火箭，箭体直径5m。
是目前中国起飞质量最大、芯级直径最粗、运载能力最强、技术最先进的火箭。
2021年2月10日，历时202天后，天问一号终于顺利进入火星轨道，预计还要再等待3~4个月，于2021年5月至6月择机实施火星着陆，
着陆地点：乌托邦平原。
乌托邦平原是火星上最大的平原，也是1976年9月3日美国海盗2号在火星上的着陆与探索区域。
此处地势平坦，地形比较不复杂，着陆难度较低。
（点击放大查看）

历史

毅力号是美国NASA长期以来火星探测的最新成果。属于NASA“火星探索计划”（Mars Exploration Program）的一部分。
它是美国第8个火星着陆探测器，第5台火星车，也是世界上第2辆采用核动力驱动的火星车（第一辆是好奇号）。
美国是目前唯一一个在火星实现巡视器着陆并工作的国家。
在毅力号之前，着陆并工作的巡视器有：
1997年7月火星探路者号（MESUR Pathfinder）所携带着陆的旅居者号（Sojourner）火星巡视器。
2004年1月火星探测漫游者（Mars Exploration Rover, MER）所携带着陆的勇气号（Spirit, MER-A）和机遇号（Opportunity, MER-B）。
2012年8月火星科学实验室（Mars Science Laboratory）的好奇号（Curiosity）成功登陆火星。
好奇号改进的结果，就是毅力号。
左为MER勇气号/机遇号，前方为旅居者号，右为好奇号。
对比一下轮子：
天问一号并非中国首次火星探测尝试。

2011年，中国的首枚火星探测器“萤火一号”曾随俄罗斯“天顶2SB”火箭发射升空，但因为火箭未能成功变轨而宣告任务失败。
10年后，被命名为“天问一号”的火星探测器再度出发，天问一号并没有对轨道器、着陆器、巡视器进行分别命名，这一点与美国NASA分别命名有所区别。
在此之前，中国在地外行星上着陆的巡视器，仅仅为在月球着陆的玉兔1号与玉兔2号。
相比较而言，火星比月球更远离太阳与地球，重力更大，而且有狂暴的沙尘暴，这都与安静的月球环境差异极大。

技术参数

毅力号长3米、宽2.7米、高2.2米，还有一个五关节的2.1米长的机械臂，重1050千克，使用核动力装置MMRTG（multi-mission radioisotope thermoelectric generator）。
是美国目前体积最大、重量最重的火星车。
毅力号是由大获成功的好奇号改进而来，NASA重新设计了毅力号的轮子，加大加强了轮子，使其更加坚固，避免出现之前好奇号轮子破损的问题。
毅力号大大加强了摄像头，一共多达23个摄像头。
同时还首次安装了两个麦克风，这也是麦克风第一次被送上火星，人类终于可以听到火星上的声音了。
毅力号搭载了多种探测器，其中包括多国合作的部件。
毅力号还搭载了名为“火星地下实验雷达成像仪（RIMFAX）”的探地雷达，这是第一个在火星表面运行的探地雷达，科学家可以利用它拍摄高清图像，以研究被掩埋的古代河床等地质特征。
最有创新的，是毅力号还搭载了名为机智号（Ingenuity）的无人直升机。
这是无人直升机技术在地球外的首次使用。
机智号无人直升机重1.8公斤，高0.5米。2对同轴反转的碳纤维制成的旋翼叶片，长度达1.2米（3.9英寸）。
最顶端是长方形的太阳能电池板。
直升机核心平台是高通骁龙Robotics Flight 801平台，由高通处理器连接到两个飞行控制微控制器单元（MCU）上，通过智能算法来实现自主飞行的功能。
直升机自带两台照相机，一台彩色照相机，一台黑白照相机。
机智号外壳的内部是由二氧化碳填充的隔温层，而没有使用昂贵的黄金镀层和硅气凝胶层。
火星大气层密度仅地球大气层的1%，极其稀薄，在火星表面起飞相当于在地球上3万米以上的高空起飞，而目前地球上现有的无人旋翼机，最多只能在6500米以下正常飞行。
除了大气密度低，火星上的音速也比地球低1/3，只有240米每秒。所以直升机的旋翼叶片不能转地太快，如果叶片的末梢速度超过音速，就会引发强烈的颤振，最终设计转速为每分钟2400转。
好在火星表面的重力只有地球的38%，这倒是降低了无人机对功率的要求。

机智号在今天从毅力号腹下成功分离。

分离的过程请看以下视频：
很快，机智号将开展为期30天的飞行测试，飞行高度距地面3至5米，飞行距离最大300米（980英尺），每次飞行不超过三分钟。
机智号飞行中可以进行自主控制，可直接与毅力号通信。
这将是人类首次实现飞行器在其他星球的受控飞行。
天问一号目前没有更多的官方数据。
天问一号巡视器的重为200~240千克，高约1.85米，6个车轮，携带6台科学仪器。
6台仪器分别是：多光谱相机，次表层雷达，成分探测仪，磁场探测器，气象测量仪，以及一台地形相机。
天问一号没能使用核动力，而是使用太阳能充电板为动力，使用新型的锂氟化碳电池进行蓄放电。
第69届国际宇航大会上展出的天问一号上的火星车模型1：4

着陆技术路线

毅力号继承自好奇号，继续以“空中吊车”（sky crane）的方式着陆火星。
在进入火星大气层后，先由大底（隔热罩）扛住冲入火星大气层后因摩擦带来的巨大热量，同时快速减速。
然后后拉出降落伞继续减速。
接着抛掉大底，传感器精确定位，毅力号使用了地形导航技术，能将拍摄的火星地貌与此前保存的地图进行比较，从而确定着陆地点周围的环境，并避开陡坡等不宜降落的地形。
最后放出空中吊车（sky crane）悬停式着陆系统，空中吊车的火箭反推装置点火后继续减速，然后缓缓下降。
至于降落伞就不管它了，随便飞走就是。。
接着空中吊车悬停在空中，放出吊索将毅力号放下，等到车体变形完毕（展开放出轮子），当轮子触地完成着陆后，将成功着陆信号由吊索传递到空中吊车，吊索自动切断，空中吊车平台最大功率启动侧飞飞走，然后坠毁在尽可能远的地方。
动画过程：
这个方案的优点是可携带大型的火星车，对着陆区域地形要求低。缺点：技术难度最高。
天问一号的降落，是使用最简单的火箭反推降落。
着陆器与降落伞分离后，底部的火箭反推装置开始工作，缓慢下降到触摸地面为止，在这一阶段，反推火箭需要一直工作，直到降落火星表面为止。
当着陆平台降落到火星表面后，放出两条导轨，然后再放出巡视器。
这种方案的优点是最简单，安全系数高。
缺点是对着陆区地形要求高，复杂地形就不行，并且无法携带大型的火星车。

中美差距

航天领域是中美两国科技差距最小的领域之一。
因为中国的航天是可以用“万中选一”的方式，用昂贵的成本堆出必要的性能。
天问一号的技术水平，大概与2003年的勇气号/机遇号是相当的。
比起毅力号，则差距甚远。
只要看看毅力号可以比天问一号后发先至地从地球飞向火星，然后一气呵成地降落成功，而且质量体积还比天问一号都大了一大圈，这个技术的差距就很明显了。
天问一号与与2003年的勇气号/机遇号，二者无论从体积、质量，甚至到外形，都有很大的相像。
当然我们不能说天问一号是山寨与勇气号/机遇号，毕竟相同的问题，总是有着相似的答案。
只不过，勇气号/机遇号历时207天/202天就降落到火星上，而天问一号还在轨道上徘徊。
当然，美国算是登陆火星的老司机了，而天问一号做为新手上路，多点时间也很正常。
中国天问一号
旅居者号/机遇号
勇气号/机遇号火星车，高1.5米，宽2.3米，长1.6米，重180千克。使用太阳能为动力，使用德尔塔II运载火箭发射，使用气囊降落。
勇气号2003年6月10日发射，2004年1月3日着陆火星表面，历时207天。
机遇号2003年7月7日发射，2004年1月25日着陆火星表面，历时202天。
德尔塔II运载火箭是一款更古老的火箭，1989年首次发射，箭体直径2.44m。
与好奇号/毅力号相比，无论是重量、体积，还是功能上，天问一号还有巨大的差距。
如果天问一号能够成功着陆并正常工作，这意味着中国航天与美国航天的差距拉近到10多年。
这个本身就是一个非常了不起的成就。

核动力

天问一号与毅力号还有一个巨大的差别，就是毅力号使用的是核动力。
火星不比月球，火星距离地球很远，信号往返需要时间很长，无法实现实时控制，所以完全依赖航天器自身的自主控制能力。
火星更加远离太阳，在火星上能够收到的光照强度要比地球与月球上收到的弱得多，只有地球的40%左右。
相比于月球环境，月面接近真空，不存在云层遮挡、沙尘等问题，火星的环境要复杂得多，火星表面有沙尘暴，一次爆发还会持续数周。
火星低光强与沙尘暴，决定了航天器需要进行严格的保温措施以应对夜间的低温，要求航天器表面的涂料具有低吸收低发射特性，而太阳能面板需要有很高的转换率。
应对这种挑战，以机遇号为例，在夜间，使用8个放射性同位素加热元件加热仪器，每个加热元件依靠放射性元素衰变可持续产生1瓦的热能。实在必要时也可以使用电加热装置。保温绝缘装置由黄金镀层和硅气凝胶层构成。
但即便如此，在2018年一次席卷全火星的沙尘暴中，机遇号最终还是没挺过来，NASA最终于2019年2月宣布任务中止。
所以火星车最好的动力选择是核动力，工作时间长（半衰期为87.7年），输出稳定（在任何情况下提供125瓦的功率输出），并且不受太阳能的限制，特别是在沙尘暴的火星上。
而且核动力还能为仪器供电，输出热量保温，持续工作能力强。
比起机遇号上的8个1瓦的核能加热元件，毅力号的能够稳定输出125瓦的核动力MMRTG简直是直接吊打一切。
MMRTG安装在毅力号的翘起的尾部。
中国的核电池技术离美国还很远，离俄罗斯也有距离。
嫦娥4号上搭载的核电池，是中俄联合研发的。
当然，核动力的体积与重量也是天问一号的小身板所不能承受的。
但对于想要在火星上一展身手的中国航天来说，核电池技术是必须要啃下的难关。

机智号的开放

虽然在民主党主政时期，NASA长期经费不足，直到川普上台后才得到相对充足的经费。
虽然超级军工巨头，也是超级“大公司病”的波音与洛马联合搞了个ULA，试图垄断航天发射市场，疯狂上涨的发射报价让NASA叫苦连天：地主家还没个余粮啊，不带这么宰人。。
虽然波音与洛马的“大公司病”让NASA无力吐槽，拖累了NASA的星辰大海的大业。。
但，很官僚机构的NASA却常常有超出官僚主义的“不走通常路”，秀出的作品常常让人感到惊艳。。
比如今天四处秀回收再发射的的Space X，就是NASA慧眼识珠，丢出16亿的大订单直接催化出来的。
虽然NASA最初的想法只是想借Space X来敲打一下波音与洛马。
而这次毅力号最有创新色彩的，就是这个机智号无人机。
这是一个采用了开放的源Linux系统，通过电商平台SparkFun购买现有的民用货架商品组装出来的新设备，当然也可以视为是实验验证性质的。
核心平台是高通骁龙Robotics Flight 801平台，使用的正是普通手机中的高通骁龙801手机芯片。
一般的航天器材，比如中国航天所用的，都是军工级的，都是搞“万中选一”的做法，这样的做法，好处是质量可靠，缺点是成本非常高昂。
在没有独立核算前，中国航天还能亏本赚吆喝，利用民用发射市场的名义进口管制芯片等等器材，至于用到哪了，你懂的。
后来被制裁后，这条路就走不通了，发射单价也就水涨船高了。
在机智号项目上，NASA表现出很强的开放心态，鼓励项目组大胆去试，并愿意承担一些风险，允许项目组在市场上采购民用产品。
比如NASA的火星探测器，使用的是VxWorks操作系统。而机智号却使用的是开源Linux系统，一个开放的平台。
而且不仅仅核心平台用的骁龙801处理器是普通的手机硬件，连导航设备，惯性测量单元IMU、激光测距仪等设备，都是普通的民用级硬件，极大地降低了成本，同时计算能力大大提升。
这种思路，是在考察这些民用品能不能在火星上与军工产品一较高下，这个思路与当年催化Space X是一脉相承的。
敢于开放，勇于创新，大胆尝试，寻求引入民用产品降低费用，这是NASA一直在努力的方向。。
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