周三“机智号”将试飞！人类在地球外的行星首度挑战“莱特时刻”

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致谢“吹号角的凌飞”言而有信，及时写出新的全面科普文，在此分享给大家。期待“机智号”在美国时间4月14日首飞成功！

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“机智号”的首飞日期，NASA原定是4月11日首飞。

如果首飞顺利的话，NASA将于美国东部时间4月12日召开新闻发布会，对“机智号”首飞后的情况进行说明。

结果等了半天，没有等来首飞的消息，却是等来“机智号”的“看门狗”计时器超时，导致“机智号”推迟首飞！

发生了什么

4月9日，星期五，NASA对“机智号”旋翼进行高速旋转测试期间，出现安全警报。

当时NASA试图将“机智号”的飞行计算机从“飞行前”模式转换为“飞行”模式，在测试过程中，发生“看门狗”计时器超时，致使测试的控制命令序列提前结束。

按NASA的说法，“机智号”本身仍然安全与健康，并且已将全部的遥测数据传回了地球。“机智号”团队正在审核遥测数据，来了解并判断问题原因。随后，他们将重新安排全速测试的时间。

而“机智号”的首飞时间改成4月14日。

“看门狗”

“看门狗”计时器（Watchdog Timer）

简介

说明

是一种硬件式的计时设备。

功能是定期的通过检测系统是否响应，从而检查系统运行的情况，一旦发生错误就进行中止，或是发出重启信号。

“看门狗”监督程序命令序列，当系统任何潜在的问题出现时，它通过检测响应而发现问题，从而阻止程序继续进行，从而帮助系统保持安全。

“看门狗”在程序的中断执行中拥有最高的优先级。

“看门狗”定时器的工作原理：

本质上来说是一个定时器电路，当一个硬件系统开启了“看门狗”，系统运行后就启动了“看门狗”的计数器，“看门狗”就开始自动计数，而运行在这个硬件系统上的软件必须在规定的时间间隔向“看门狗”发送信号，这个信号发送叫做 “喂狗”（feed dog）。

这是软件向硬件报告自身运行状态的一种方法，如果软件运行良好，那它就可以在规定时间发送信号。就象女生出门在外，定时打电话给家长报安全一样。

如果软件出错而进入死循环，系统挂机也就是俗称的“死机”，那么软件将不能在规定的时间间隔向“看门狗”发送信号，也就是没有“喂狗”。

——如果没有“喂狗”，则计数将不能重置为零，当计数增长到设定值后超出，“看门狗”就认为程序没有正常工作，并采取如中止运行，系统复位等一系列措施。

如果没有“看门狗”的存在，那么系统将会进入无尽的死机中，就象你的电脑死机蓝屏了，直到你看到时，你才会强行关机重启，在这个过程中，你就是扮演了“看门狗”的角色。

“看门狗”与深空探测

“看门狗”通常在嵌入式系统和微型计算机控制的设备中使用。特别是在人们无法轻易访问设备，或者无法及时对故障做出反应的情况下。比如深空探测器之类的远程遥测自动化系统中的嵌入式系统。

在这样的情况下，一旦计算机挂起（“死机”），远在天边的操作者无法依靠人工快速进行诊断与清除故障。

所以它必须能够自力更生。

否则它们将无法从故障中自动恢复，无法做出任何反应，甚至造成永久性损害，在这种情况下，“看门狗火星探险过程中至关重要。

在像火星这样的深空探测的任务中，携带的设备中的嵌入式系统，由于系统常常会受到来自外界强烈的电磁场的干扰，造成各种寄存器和内存的数据混乱，进而导致程序指针错误，数据溢出等等，最后可能会陷入死循环，进而导致程序的正常运行被打断。

由于系统无法继续正常工作，导致整个系统的陷入挂起状态，可能会因此发生不可预料的后果。

这时就需要“看门狗”对系统发出中止、重置、重启或关闭的信号，使系统从挂起状态恢复到正常运作状态。

“看门狗”也可以触发相对应的控制系统，使系统转入安全状态，例如关闭马达、关闭高压电输出，以及关闭其他具有潜在危险的子系统(Subsystem)，直到系统错误、故障被解决排除为止。

“看门狗”与风险

“机智号”是采购民用的货架商品部件，使用开源的Linux操作系统的实验设备。

并不象“毅力号”那样采用军工级部件，也不是使用久经考验的VxWorks操作系统。

特别是“机智号”所采用的处理器，它与普通手机上的处理器非常相似。

在奔赴火星的路上，以及到达火星着陆后，无论在哪个时刻，“机智号”都沐浴在银河系中的宇宙射线以及太阳高线粒子中。

因为火星的大气极其稀薄，而且火星没有强大而明显的磁场，因此无法像地球那样，用地球自身强大的磁场来偏转高能粒子，从而保护在星球上的物品。

因此在“机智号”的历程中，将永远无法获得这种自动保护。

如果遇到了高能粒子冲击这样的事件，存储器内的电荷粒子可能会改变1或0的状态，某些位（处理器中的1和0）可能会翻转。这可能导致处理器“崩溃”，或自身复位！

无论是硬件还是系统，“机智号”对电磁干扰的抗干扰水平都是远远不如“毅力号”的。

所以“机智号”安装的“看门狗”出了问题，并不令人惊讶，或者说，如果不出问题才是令人惊叹的。

这个“看门狗”主要用于保障“机智号”无人机系统的安全。

通过监测命令序列，并及时对系统潜在的问题提出预警，甚至终止某些有问题的指令。

在Linux操作系统中，“看门狗”守护程序可以通过简单地、定期地踢（Kick）的行为，来检测守护程序是否正常运行。

只要守护程序正常运行，系统就可以防止出现严重的系统崩溃（比如内核数据出错）。

当发现出错后，系统可以执行一系列纠正措施，最终导致软件的软重启。

如果软件无法软重启，则“看门狗”将计数超时，进而调用硬件中止或重置。

实际上，“看门狗”可以是多级的，在Linux系统中，“看门狗”守护程序可以尝试执行软启动，这比硬件重置更安全，并能记录故障信息。

但是，硬件计时器将作为最后的保险，以应对许多故障情况下软件重启的可能失败。

随时存在的风险与挑战

从卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)发射升空，“机智号”就面临着一个又一个的挑战。

◆挑战一：经受运载火箭升空的10多个G的过载，安全升空。

◆挑战二：与“毅力号”一同飞行至火星。

◆挑战三：保证在203天的历程中，各项子系统工作正常。

◆挑战四：经历“恐怖的7分钟”，与“毅力号”一起降落在红色星球。

◆挑战五：从“毅力号”的腹部安全地、不受损害地部署到地面。

◆挑战六：度过极度寒冷的火星夜晚，保持温度，存活过第一个晚上。

◆挑战七：通过太阳能电池板能自动充电唤醒，再次在夜晚存活。

◆挑战八：解开旋翼，继续测试各项子系统。

◆挑战九：自动太阳能充电，开始飞行。

◆挑战十：再次飞行。

“机智号”的元件，并不是为高抗过载而设计的。

所以安全升空本身就是第1个挑战。

“机智号”的元件，也不是专门为深空的忽冷忽热的高度温差而设计的。

所以一路飞到火星是第2个挑战。

特别当太阳耀斑增大并射出高能带电粒子（即所谓的日冕喷发），而“机智号”的许多元件，并不是为应对这些宇宙射线高能粒子而专门设计的。（即不具有高度鲁棒性（Robustness））

所以保证一路安全到达火星，是第3个、第4个的挑战。

“机智号”的方形机身再加上机身盒子外面的天线、太阳能电池板、着陆脚和两个长度为4英尺（1.2米）的旋翼等组件。

“机智号”其实是个体积较大、非常复杂的、易受损害而且造型独特的设备。

这个体积较大的设备，安装在相对平坦的“毅力号”的底部。

而这个位置距火星表面仅有26英寸的离地间隙。

扣除锁定释放机构体积，扣除“机智号”自身的体积，安全距离就只有4英寸的空间了。

所以，这种“拼车”式的贮存方式，以及在火星表面将“机智号”安全地、不受损害地部署到地面，则是第5个挑战。

分离过程参看《一文看懂美国“毅力号”与中国“天问一号”的区别》

火星的夜晚，温度可降至-130F（-90℃），比地球上最寒冷的南极测得的最低温度（-89.2℃）还要低。

而且“机智号”并没有应用昂贵的黄金镀层和硅气凝胶层来保温，而只是应用相对简单的二氧化碳填充的隔温层。

当“机智号”还被包围在保护壳里时，它可以连接到“毅力号”，由“毅力号”为其电池充电，并使用由“毅力号”的核电池供电的恒温器来保温。

这将保护“机智号”的关键部件（比如电池）和敏感的电子设备在火星的夜晚极冷的温度下免受伤害。

抛掉了保护罩

而在抛掉了保护罩并下降到地面后，“机智号”将不得不依靠自己的太阳能电池给自己充电，为机体内的电池和敏感的电子设备保温。

所以存活过第一个晚上并在火星表面存活下来，是一个里程碑式的挑战，也是第6个、第7个挑战。

在“机智号”独立熬过火星夜晚后，并且第二天太阳能电池板正常工作充电并唤醒，NASA会检查它的电池温度和充电性能是否符合预期。

如果一切没问题，那么接下来要做的就是解锁旋翼，让原本同一方向锁定的旋翼解锁，复位到十字交叉的工作状态。

这是同一方向锁定的旋翼

这是解锁后的十字交叉位的旋翼

然后开始测试所有电机和传感器，先是以每分钟50转的速度旋转以测试旋翼，然后以进入每分钟2400转的高速旋转测试。

而这正是第8个挑战。

目前的“看门狗”超时，就是发生在这一阶段。

特色

阿拉巴马州诺斯波特的高中生Vaneeza Rupani最初为2020年火星车提交了Ingenuity（机智号）的名字。

然而后来火星车被命名为Perseverance（毅力号），但是鉴于Ingenuity这个名字的创造性思维，NASA认为可以把这个名字用在“毅力号”上的无人机项目上。

于是，无人机“机智号”，这个名字就这么愉快地确定了。

一百多年前莱特兄弟制造的“飞行者一号”，实现了人类的首次动力飞行。

NASA此次将来自“飞行者一号”的复刻材料嵌入“机智号”, 以纪念人类首次在地球以外的行星实现“莱特时刻”。

“机智号”的飞行控制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。

飞行控制系统使用的是开源Linux系统以及飞行软件框架“F Prime”。

“机智号”使用低功耗、低带宽的ZigBee无线通信协议，使用安装在自身及“毅力号”上的900MHz的SiFlex02芯片组来相互进行通信，可在最远1000米距离上，以250Kb/s的速度传输数据。

由于火-地距离遥远，所以从地球来遥控无人机飞行不现实，因此“机智号”是按照地面设定的程序，再根据自身的传感器的数据，经过开源的飞控软件“自主”地飞行。

“机智号”的体重是1.8公斤，其中电池就占了约六分之一，达273克。

这是6个SONY的锂电池，容量为35–40 Wh，占据了最大的体积。

电量中三分之一用于飞行，三分之二用拿来给主要部件，包括电池自己和敏感电子设备保温。

而在此之前长达7个月之久的星际航行中，机智号的电池一直保持在20~30%的状态，以保持最佳的状态。

在最后将“机智号”部署到火星地面之前，“毅力号”将在最后时刻将“机智号”的电池充电至100％充电状态。

脱离“毅力号”后，“机智号”只能依靠自身的太阳能充电板给电池充电。

“机智号”飞行短短90秒，却需要24.62小时的时间来充电。

这些电池要能够有效充电放电，能够有效处理因为飞行，或是抵抗风切变等等动作而引起的电涌。

同时还需要保持“机智号”的电压，以免电动机失速或电子设备出现故障。并且要在极度寒冷的火星的夜晚，能够自动保温。

“机智号”的两个驱动电机都是无刷直流设计的，定子是使用具有矩形横截面的铜线手工绕制的，以实现比圆形铜线更好的封装。

“机智号”使用的是同轴反转的设计。

发动机上有两组并列反向转动的旋翼，这两组旋翼转动的角速度方向相反，因此被称为同轴反转。

由于反作用力原理，当一个旋翼转动时，空气会通过叶片会对发动机产生一个角速度相反的力，即扭矩。这个力会造成飞机沿着扭矩方向翻滚。

而且在低速巡航的状态下，旋翼叶片的叶尖会形成切向的空气涡流，这种涡流会造成一定的能量损失。

在同轴反转的设计下，同轴反转的两组叶片转动时产生的扭矩与涡流会互相抵消，不需要将功率浪费在单旋翼的抵抗扭矩，从而将造成的能量损失降到最低。

这也是象大疆这样的简易无人机，都使用同轴反转。

“机智号”使用一对斜盘来控制每个转子的总螺距和周期螺距，不象地球上的直升机那样可以上下挥动的铰链。

每个钛斜盘由固定在转子桅杆上的三个微型伺服器控制，并使用由聚醚醚酮（PEEK）塑料加工而成的连杆连接到转子。

同轴反转的好处显而易见，它显著提升了旋翼的升力，输出功率稳定、飞行过程中叶片振动小、同时降低了后退叶片失速现象。

它的不足之处就是旋转部件的结构复杂，并且由于叶片间气流扰动的关系，两对桨叶相加的推力只比一对桨叶多15%，不是我们想象的1+1=2的关系。

“机智号”的旋翼桨叶被设计为非常坚硬，同时非常薄，非常轻。

不象地球上的直升机那样可以上下挥动，因为NASA担心在高达每分钟2400转的速度下，桨叶挥舞会造成物理损害。

旋翼叶片根部与桨叶都非常宽大，以便在火星稀薄的大气层中，能够提供更大的所需的额外升力。

“机智号”旋翼叶片的转速是传统直升机的5~10倍。

旋翼面积则是传统直升机的4~6倍。

旋翼桨叶的叶片主体是碳纤维三明治夹芯结构，表皮由复合材料制成，呈现出一种迷人的黑白方格交错的图案。

碳纤维三明治夹芯结构

上下两层蒙皮选用碳纤增强复合材料（碳纤维树脂复合板材），芯材使用PMI，这是一种具有一定硬度和抗压能力的轻质发泡材料，通过一定的工艺，使之形成“碳纤维织物-发泡结构芯材-碳纤维”的复合夹心结构。

PI/PMI发泡材料最早由NASA进行研究并生产用于军用和太空探索。

NASA的“高速飞行器计划（High Speed Research Program）”研制能满足在极端环境下使用的材料，而“机智号”所使用的PI/PMI发泡材料就是在此过程中应运而生。

为了应对设计转速高达每分钟2400转——对于无人机来说，这是极快的转速。

在地球大气层中，旋翼旋转速度只需280次左右就可轻松且平稳地飞行。

最终，在体积、重量、钢度、强度等考量下，“机智号”采用了PMI发泡芯材作为增强夹层复合到碳纤维叶片中。

这可以显著降低无人机的重量并提供优异的机械性能，从而极大增加无人机的领续航能力。

而且在着陆时也可以经受住重复撞击，所以不用担心无人机坠落或摔坏。

“机智号”上没有携带任何的科学设备，只装了两个摄像头。

“机智号”上携带的，一个是RTE Camera(Return to Earth)，一个是NAV Camera(Navigation)。

由于火星两极的磁场不一致，所以是无法使用磁场导航来进行定位与导航的，（指南针在火星不管用了）因此将通过摄像头来进行图像视别，跟踪估计速度，从而实现视觉导航。

它完全依靠集成在惯性导航系统中的跟踪摄像头，跟踪图像特征而获得的速度估算值，用导航算法来计算，最后通过高通处理器连接到两个飞行控制微控制器单元（MCU）上，最终实现自主导航飞行。

所以“机智号”是无法在夜晚飞行的。因为黑灯瞎火的环境下，它真的就是个瞎子。

最后，是“机智号”所用的太阳能充电板。

太阳光是由连续变化的不同波长的光混合而成，包含了各种波长的光：红外线、红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、紫外线等。

不同波长的光线，携带的能量是不同的。

在太阳能板的设计上，“机智号”的太阳能充电板有3层3种材质，可以分别吸收不同波长的太阳能。

太阳光在依次穿过几层电池的时候，不同波段的光子所携带的能量被依次吸收。

从而达到最大的转化率。

美国光谱实验室研发的三结太阳电池 (UJT) , 该电池的最高功率点平均效率为28%

地球轨道上的光强每平方米大小面积上可达到1353瓦的数值，在火星表面，每平方米大小面积上的光强为590瓦，只有地球的40%左右。

在不考虑沙尘暴的影响下，火星表面不同纬度的太阳能密度如下图：

火星表面的大气压仅有地球的0.7%，火星大气中几乎没有氧气，95%是二氧化碳，火星大气的平均温度是-63℃。因此，想在火星上飞起来是件十分不容易的事情。

当然，也有比地球有利的地方，那就是火星引力只有地球引力的三分之一，相对而言。“机智号”不需要花太大的“力气”来克服火星引力。

地球上1.8公斤质量的“机智号”，在火星表面只需要0.68公斤的推力（差不多是电风扇三档风）就能飞起来。

“机智号”的设计寿命仅为30天，每次飞行高度仅3至5米，飞行距离不超过300米，飞行时间3分钟之内，总共飞行五次就算大功告成。

至于是否能象之前的几辆火星车那样超期服役，则看天意。

进度

相伴203天、飞越4.7亿公里、合体共处43个火星日之后，“机智号”终于来到了火星土地上。

在原订的计划中，“机智”号将在31天内总共完成5次飞行试验，之后历史使命将结束。“毅力”号火星车也将“抛弃”“机智”号，独自开展探索活动。

2021年3月30日，即火星飞行第39天，“机智号”从“毅力号”的腹部部署到地面。

“机智号”展开了所有四只腿。

4月5日，即第45个火星日（或称太阳日），“毅力号”驶离足够的距离。

4月7日（即任务执行的第47个火星日）将转子叶片解锁，使其能够自由旋转。

在原定的计划中，当“机智号”的旋翼转速达到2400转/每分钟后，如果所有自检都通过，“机智号” 将起飞。

起飞时，“机智号”将以每秒1米的速度爬升，在离地面3米处盘旋30秒。

然后，“机智号”将下降并在火星表面着陆，完成首飞。

在“机智号”飞行过程中，“毅力号”将作为旁观者记录飞行全程。

但在周五进行的“机智号”旋翼高速旋转测试中，NASA的地面团队准备将飞控计算机由“预备飞行模式”改为“飞行模式”时，“看门狗”超时出错了，导致“机智号”的飞控命令序列过早关闭。

所以NASA推迟了机智号直升机在火星上的历史性首次飞行。

NASA报告称，“机智号”火星直升机目前状态安全稳定，通过完整的遥感数据链与地面保持正常沟通。

参数

着陆质量总质量: 1.8千克（4.0英磅）

电池: 273克（9.6盎司）

尺寸：机身: 14厘米X18厘米X20厘米

全高度: 80厘米（31英寸）

旋翼桨叶长: 4英尺（1.2米）

功率：350 瓦特

旋翼转速：最高2400 rpm

叶片尖端速度：<0.7 马赫

飞行时长：飞行一次90秒

最大飞行距离：300米（980英尺）

无线电信号最远距离：1,000米（3,300英尺）

飞行高度：5米（16英尺）

飞行最大速度：水平: 10米每秒（33英尺每秒）垂直: 3米每秒（9.8英尺每秒）

电池功率：35～40瓦特·小时（130～140千焦耳）

NASA未来的目标是制造更大的旋翼机在外星天空飞行。

下一代旋翼机的质量可能在5千克到15千克之间，可以携带0.5千克到1.5千克的载荷，可以直接与火星轨道的卫星通信，这意味着它可以摆脱火星车，直接在火星天空自由地翱翔。

关于“毅力号”上使用的核动力电池，以及美国的核动力电池燃料——钚238的“核燃料危机”，请等待下一篇再说。

前文导读

《机智号快飞了！一文看懂带它的毅力号，与天问一号的区别》

《今天美国毅力号成功登陆红色星球！考古火星生命之门》

《曾上升到“民族精神”的被打华人老太谢萧珍案，现场录像还原完整情况》

《最后的王子与公主》

《50部经典电影台词》

《真实的美国中产家庭的长周末》

《俄罗斯的骄傲：艾尔米塔什博物馆 · 皇宫的华丽转身》

《《王冠》中的丘吉尔》

《民主永远不会被社会性死亡，但有高潮低落轮回》

《无声的力量——罗莎·帕克斯的故事》

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