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機智號火星直升機在第六次飛行中遭遇意外,所幸安全降落

在這顆紅色星球上的第六次飛行中,「機智」號直升機遭遇了一點小事故,但多虧了完善的計劃和內置的故障保護裝置,它完成了飛行,倖存了下來。

這實際上也是個好消息,因為它也展示了直升機在多個方面對故障的容錯能力,同時也給了工程師一個修復錯誤的機會。

這一事件發生在2021年5月22日,也就是「毅力」號火星任務的第91天。天空清澈明亮,非常適合「機智」號的任務:展示它拍攝空中立體圖像的能力。

「機智」號直升機垂直提升到一個高度10米(33英尺),然後向西南水平飛行150米,這時它會旋轉並向南移動15米,同時拍攝圖像, 然後轉身向東北飛行,再飛行50米,最後再著陸,飛行速度約為每秒4米(8.9英里/小時)。

但是,就在它到達第一個150米的末端時,「機智」號開始表現得非常奇怪。

「機智」號開始調整它的速度,並以一種振蕩的模式來回傾斜。這種行為持續了整個飛行過程。在安全著陸之前,機載感測器顯示,直升機遇到了超過20度的橫搖和俯仰偏移,大量的控制輸入,以及功耗的峰值。

「機智」號團隊發現,這個問題與直升機的導航方式有關。它的主要導航系統,機載慣性測量單元,它不斷跟蹤「機智」號的位置、速度和姿態(在三維空間的方向)。為了支持這一點,它還配備了「眼睛」 —— 一個導航攝像頭,以每秒30張圖片的速度不斷拍攝下方的地面。

導航系統會查看圖像的時間戳以了解其拍攝時間,並使用這些信息來比較相機在當時應該看到的東西。如果不一致,直升機就會調整自己的位置、速度和姿態。

這就是第六次飛行出錯的地方。圖像傳輸管道的一個小故障,導致導航攝像頭的一個圖像在到達導航系統之前丟失。這意味著每個後續圖像都有一個不準確的時間戳。

因此,導航系統接收到的有關周圍環境的信息有非常輕微的偏差,導致直升機想要糾正實際上並不存在的錯誤。這導致了飛行的不穩定,但「機智」號仍然能夠完美著陸,落在距離計劃地點5米的範圍內。

這在一定程度上是因為直升機的工程師決定讓「機智」號忽略海拔一米以下的導航攝像頭圖像,因為它們可能會被靠近地面的灰塵遮擋,從而擾亂導航系統。這確保了平穩的起飛和降落,但這也意味著「機智」號可以在這個關鍵時刻停止振蕩。

同時,它還設計了一個「穩定裕度」,可以容忍較大的錯誤(包括圖像時間戳的錯誤)而不會變得不穩定。

為此,NASA的控制團隊表示:從更大的角度來看,第六次飛行最終以巧妙的方式安全降落在地面,是因為一系列子系統(旋翼系統、執行器和動力系統)對不斷增加的保持直升機飛行的要求做出了回應。在非常真實的意義上,巧妙地克服了這種情況,雖然這次飛行發現了一個現在必須解決的定時漏洞,但它也從多個方面證實了系統的健壯性。雖然,我們不是故意計劃這麼緊張的飛行,但NASA現在擁有了探測直升機性能包絡外部的飛行數據。這些數據將在未來得到仔細分析,擴大我們關於在火星上飛行直升機的知識儲備。

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