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登上火星的无人机,用了哪些老底子技术?
原创 好奇君 好奇实验室
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美国时间2月18日,重达一吨的“毅力号”火星车成功降落火星表面。
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这次“毅力号”的主要任务就是采集火星岩石标本,还要寻找外星生命,并且首次使用麦克风录下火星的声音。
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但是,“毅力号”最让人兴奋的实验,就是将在这颗红色星球上放飞人类第一架外星无人机——“机智号”。
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它的第一次飞行时间仅持续约20秒,但这是一个历史性的时刻,就如同莱特兄弟的第一次飞行,按照计划“机智号”将在火星上进行5次试飞。
那么,人类首架火星无人机,又有哪些黑科技?
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这就是“机智号”,体重1.8公斤,平时就藏在火星车的机腹中。
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工程师预先设计了一个指令集,预装在“毅力号”上,由火星车对无人机进行指挥控制。
所以,这次“机智号”并不会离火星车太远,设计的飞行测试,范围都不超过50米,时间也在90秒之内。
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它这次的主要使命,就是验证无人机在火星环境中飞行的可行性,为今后的第二代无人机积累经验。
无人机采用了手机同款芯片
别不相信,人类的第一款火星无人机,采用的芯片就是你的手机同款。
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而且,还是2014年的高通芯片——骁龙801(28nm制程)。
当年采用这款芯片的旗舰手机大约是这样的:
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索尼Xperia Z2
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OPPO Find 7
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锤子手机
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小米4手机
是不是很意外,先进的火星无人机居然采用了7年前的老旧芯片。
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原因是什么?因为无人机有重量限制:1.8公斤左右,并且对实时数据处理要求很高,包括飞行时的姿态控制、图像处理等等任务,而目前火星车上采用的成熟产品不能满足要求。
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啥!航天军工产品难道不是采用最高精尖的技术吗?这你就有误会了,其实航天器使用的设备,都会偏重成熟稳定型号,以保证设备的完好率。
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比如上一代火星车“好奇号”电脑的CPU,采用的就是“老祖宗级”的处理器:IBM的PowerPC 750,150nm制程,最高主频200MHz,和现在最新的CPU,动辄3、4G的主频,那是差了好几代了。
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所以这次NASA选定了的骁龙801处理器,虽然比不上目前最新的骁龙888处理器,但是计算能力比“毅力号”火星车用的处理器,还是要高好几个数量级。
如果放在几十年前,手机处理器、传感器、摄像机、陀螺仪等都还没有被发明出来,造这么一个轻量级无人机几乎是不可能完成的任务。
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除了处理器,“机智号”无人机上的导航设备,包括惯性测量单元、激光测距仪等设备,也都是用普通的民用级硬件。
当然这些民用配件能不能和航天产品一较高下,等“机智号”一上天就会见分晓了。
为什么要派无人机?
自从1964年首个探测器——水手4号,飞掠火星并传回22张火星照片,人类第一次近距离看到了火星表面的样子。
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到1976年7月20日和9月3日,孪生兄弟海盗1号和海盗2号,相继踏上火星地表。
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海盗1号拍摄的火星表面
再到1997年,火星探路者号带着人类第一辆火星车“旅居者号”登陆火星。
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几十年来,人类对火星的探测几乎贯穿了整个人类航天史,但是这些火星车都有一定的局限性。
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发射到火星表面的火星车拍到的图像分辨率是很高,但就是腿太短,移动距离有限,“越野”能力不足,无法进入山谷、坑道、悬崖等复杂地形作业。
比如第一辆登陆火星的“旅居者号”,仅移动了约100米。
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“好奇号”火星车
我们最为熟知的“好奇号”火星车,迄今为止已运行了8年,才累积行驶了 22 公里,算一下速度还没有蜗牛爬得快。
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于是,工程师就想了一个办法来扩展火星车的视野——无人机。
还有哪些黑科技?
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:怎么把它造出来?
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了解飞行的人都知道,飞机能够飞起来,是因为空气提供了升力。
火星表面的重力只有地球的1/3左右,看起来似乎对飞行很友好,但火星有一个致命的缺点:大气很稀薄,只有地球的1%,在火星上获得起飞所需的升力是非常困难的。
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图片:图虫创意
这相当于在地球上3万米以上的高空起飞,我们生活中最常见的那种航拍无人机,最大飞行海拔6000米左右。因此根据地球空气动力学设计的飞行器在火星上都飞不起来。
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如果想在火星上起飞,飞行器必须是超轻的,而且螺旋桨的转速要非常快。
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战斗机突破音障
但是螺旋桨也不能转太快,因为随着速度的增加,当接近音速时,会出现一股强大的阻力,使飞行器产生强烈的振荡,这个现象俗称为音障。
顺便提一下,火星的音速是 240m/s,比地球上还要慢三分之一,所以无人机叶片的转速被限制在每分钟 2400 转。
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毅力号与机智号个头对比
限制转速,又要有足够升力,工程师团队就把重量限制在1.8公斤左右,顶部安装了四个碳纤维叶片,还有一个太阳能电池板。
NASA 为此还建立了巨大的模拟测试室,创造了一个完全真空的环境,模拟无人机在离开地球之后可能面临的各种极端情况。
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在最初的几次测试中,工程师们发现,由于无人机的叶片比较细长,测试时飞机总是不停摆动。
为了解决这个问题,他们把螺旋桨的叶片做得非常硬,比地球上的无人机要硬很多。
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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。
我们的“天问”怎么样了?
2020年,人类向火星发射了希望号、天问一号、毅力号三个探测器。
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天问一号成功发射
随着“机智号”这几天要开始的火星飞行之旅,我们的“天问一号”,也将在今年5、6月左右进行着陆。
为什么率先到达的天问一号,还要在轨道等三个月呢?因为我国首次火星探测任务,一次要完成“绕、着、巡”三个任务。
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天问一号
2月10日,天问一号顺利进入大椭圆环火星轨道,实现了第一步“绕”的目标。后续天问一号还将经过多次轨道调整,进入火星停泊轨道,探测预选的着陆区,并将在今年5、6月左右择机登陆。
2021年的火星,注定不寂寞!
原标题:《登上火星的无人机,用了哪些老底子技术?》
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