Ingenuity Mars Helicopter 的总工程师 Bob Balaram 最近出现在NASA 的 Small Steps, Giant Leaps播客中。与火星毅力漫游者一起飞行的 Ingenuity Mars Helicopter 将是第一架尝试在另一个星球上进行受控飞行的飞机，是一项工程奇迹。

巴拉拉姆描述了开发直升机需要什么，以及在实验飞行过程中会发生什么中国机械网okmao.com。您可以收听上面的完整播客或阅读下面对话的完整记录。

Deana Nunley（Small Steps，Giant Leaps主持人）：直升机降落后从火星车上释放的步骤是什么？

巴拉拉姆：所以，有几个步骤。一个是我们需要找到一个合适的地方进行实验。由于这是首创的实验，我们正在寻找一个小平坦点，大约 10 米乘 10 米，30 英尺乘 30 英尺，如果您愿意，这将是我们的着陆场。我们有一个飞行区，从那个着陆台延伸约 100 米。

因此，团队的第一项工作，即Ingenuity 和 Perseverance 的组合团队，将是寻找合适的位置。而每一个期待，都是恒心所到之处，几百米之内，都能找到这样的地方。然后漫游车会去那个地方。

然后是一系列所谓的烟火释放事件，如果你愿意，我可以详细介绍，最终将我们沉积在火星的地面上，然后火星车有效地让我们跨过，因为我们一直在下面，开到100米左右的安全距离，然后在那里观察飞行，并作为通信中继将我们的工程信息发回给它。

Nunley：而且我猜我们有一些工程师在听，他们很想多听一点，所以如果你不介意详细了解它是如何工作的。

巴拉拉姆：是的。所以让我按顺序介绍一下部署顺序。我们受到碎片防护罩的保护，该防护罩保护漫游者下方的 Ingenuity 直升机。在 Perseverance 着陆期间，考虑到 Perseverance 的火箭发动机会扬起大量灰尘、岩石和鹅卵石，我们不希望它们损坏我们的飞机。

所以，实际上，如果你看过它的照片，在 Perseverance 底部有一个看起来几乎像一个黑灰色吉他盒的东西，那就是一个碎片防护罩。所以要做的第一件事就是在我们到达我们选择的最终着陆点之前，使用烟火式电缆切割器丢弃碎片护盾。然后直升机进入实际降落点。有一个发射锁，它一直在一端固定 Ingenuity，然后释放。

然后是一个电缆切割器，它让 Ingenuity 向下摆动到垂直。Perseverance Rover 上的电机会动态中断，确保向下摆动缓慢而温和。然后马达继续接合并将直升机拉到垂直位置。由于住宿和空间的原因，我们实际上是横向安装的。

所以一旦我们垂直，同样的过程也会释放我们的两条着陆腿。还有另一个最后的电缆切割器，它释放剩余的两个着陆腿。所以，在这一点上，我们完全垂直准备降落在地面上。然后我们要求漫游车给直升机内的锂离子电池充电至 100% 的电量，因为我们希望确保我们在漫游车起飞时能在需要时存活一夜，

而且由于我们在舞台上被 Rover 遮蔽，因此我们可以完全 100% 充电。在这一点上，有一种叫做易碎的装置，它基本上是一个热激活的螺母和螺栓组合，如果你愿意的话，它在加热时会断裂，最终使直升机从地面坠落几英寸。

它掉在地上。有一整套中间步骤。我向你描述的事情需要一个多星期的时间。Perseverance 团队非常小心，确保他们在所有中间步骤都为我们拍照。然后是最后一次开车，他们从我们身上下来，停在大约 5 米，大约 15 英尺远的地方，拍摄一堆检查图像。然后我们进入我们的调试阶段，他们移动到安全的 100 米距离。

匠心

Nunley：那么技术演示的计划是什么？

巴拉拉姆：所以，正如我所说，我们计划在 30 sol 窗口中进行多达五次飞行，该窗口从我们降落的那一刻开始。因此，在这30个sol中，我们希望进行约5次飞行，并且有效地进行约3天的节奏，进行一次飞行，取回数据，对数据进行分析。

然后团队决定下一次飞行。我们已经非常详细地预先计划了前三个航班。第四次和第五次飞行取决于我们的表现，它们要么是前几次飞行的应急，要么我们可能会尝试一些运动。第一次飞行的目的是几乎完全重复我们在帕萨迪纳JPL的太空模拟器舱中进行的测试飞行。这只是为了让我们对我们在地球上观察到的东西进行逐个比较，那里有与测试相关的人工制品。

因此，我们将首次了解火星大气和火星条件、环境对我们意味着什么。而且我们还将很好地了解我们是否有任何需要处理的问题。所以这只是一个直线上升和下降到大约 3 米，大约 10 英尺高的空中，悬停大约 30 秒左右，然后返回。

一旦我们分析飞行并认为它成功，我们将逐步采取更复杂的步骤。所以第二次飞行将做一些横向运动。然后第三次飞行是进行更多的横向远足，从我们的着陆点起飞到许多，数十米，然后再次降落。正如我所说，第四和第五航班，多一点，可能更运动。我们可能会尝试飞得更高。我们可能会尝试在更大的风中飞行。

因此，有可能第 4 次和第 5 次飞行比第一个更令人兴奋，但即使是第一个，我们的团队也将其视为我们的莱特兄弟时刻。这是第一次实验飞机在另一个星球上飞行，就像莱特兄弟在很多很多年前在小鹰号做同样的事情一样，第一架实验飞机展示了动力控制飞行。所以他们迈出了那一小步，我们希望在火星上迈出类似的一小步，希望这会导致火星探索的巨大飞跃。

Nunley：我们对火星飞行测试的图像有什么期待？

巴拉拉姆：所以，有两种图像。一种是直升机本身，另一种是漫游车。所以让我先谈谈直升机方面。我们有两个摄像头。一个相机是黑白分幅相机，直升机机载导航系统使用它来查看它实现了多少横向运动。

所以基本上它每秒比较连续的图像很多很多次，并查看每个图像与前一个图像的偏移量，它知道它移动了多少。结合机载惯性测量装置和直升机上的激光雷达高度计，我们可以知道我们移动了多少以及移动了多少。它是飞行控制和引导系统的一部分。还有一个摄像头，它与你手机上的摄像头非常相似。这是一个 13 兆像素的索尼相机，彩色相机，

这就是我们拥有的另一台相机。因此，特别是在第一次飞行期间，我们计划用两台相机拍摄几张照片。我们肯定，在第一次飞行之后，我们将链接，发回第一张黑白图像，因为我们需要它来确切地知道直升机降落的位置。

就在直升机降落之前，它需要一种下降图像。基于此，我们在某种程度上确认并定位了直升机的最终目的地。我们还将其中一些彩色图像返回给 Perseverance，在那里我们有一个基站作为中继站，黑白图像和第二天出现的彩色图像将由 Rover 返回人间。现在，虽然所有这一切都发生在第一次飞行中，但漫游车相机有机会和计划。

火星车有一个名为 Mastcam-Z 的相机，这是一款非常强大的相机，具有变焦功能。这是以前火星探测器所没有的新功能。因此，人们期望 Mastcam-Z 会在飞行期间尝试对我们进行成像。我们应该能够看到，即使在 100 米外的全变焦下，它看起来也不会很大，但是我们应该期望在这些图像中看到，当它们最终返回时，有点像远景飞行。这些就是我们希望得到的图像来源。但是在飞行的第一天，我认为我们唯一可以保证肯定会回来的东西就是向下看的黑白图像，这确实是工程产品。但一旦我们克服了这一点，

Nunley：让我们谈谈你将从地面发送的命令。您如何与 Ingenuity 沟通？

巴拉拉姆：首先，让我从我们有一个直升机运营团队开始，现在该团队已嵌入更大的 Perseverance Operations 团队中。所以我们为火星上的两件事建立了命令序列。一个是我们自己拥有直升机，然后我们拥有一个基站，作为通往直升机的通信网关。所以就漫游者而言，它只知道直升机到基站的存在。

基站看起来就像漫游车上的任何其他科学仪器一样，就像任何科学仪器一样，可以接收命令并返回遥测和数据产品。从流动站的角度来看，它只是发送给基站的命令。基站的工作是使用无线电进行中继，使用我们在基站和直升机两侧都有的小型无线电，

因此，命令序列实际上是直升机命令、基站命令以某种方式环绕它和流动站仪器命令，允许流动站命令该仪器，例如打开基站，要求它返回数据。因此，这些命令是由我们的直升机运营团队和漫游者运营团队共同生成的。然后它们被深空网络通过火星上的轨道飞行器辐射到火星车。

因此，漫游车接收命令然后执行命令，这涉及我提到的所有序列，许多直升机命令要么今天飞行，要么只在第二天我们坐在飞机上时向我发送数据地面。所以这些命令发生了。有常规的遥测数据产品回来了，

这些都是遥测文件，它们从直升机上的机载存储设备返回基站，然后漫游车说，“好吧，把所有这些产品都给我。” 火星车带着它们然后通过一个典型的下午电信通行证将它发送到一个高架轨道飞行器上。最终它通过深空网络返回喷气推进实验室的运营中心。因此，它几乎与任何其他仪器的操作方式相同，只是其中一个仪器（如果您愿意的话）附有一架小直升机。

Nunley：是什么让直升机难以真正在火星上飞行？

巴拉拉姆：嗯，主要是火星环境。与我们在地球表面的大气相比，火星上主要由二氧化碳组成的大气非常脆弱。这大约是您在地球上所能找到的数量的 1%。所以，如果你把你的手臂伸出大约一米宽，三英尺宽，并想到一个大约那么大的立方体，在地球上，这个立方米的空气大约是一公斤，略多于两磅，但同样的立方米在地球上火星将是十分之几克，大约一盎司。

因此，它大约是密度的 1% 左右，这意味着任何飞机都必须向下移动大量空气才能获得反作用力，即牛顿定律，才能使升力将整个飞行器向上传送。所以这是主要的基本空气动力学挑战。

现在有在发展的过程中，我们发现不仅仅是空气稀薄。这相当于它在地球上的 100,000 英尺高空飞行，但由于稀薄的大气层，我们还发现了飞行控制方面的其他一些细微差别。所以这是主要的挑战。你必须建造一些足够轻的东西，以便能够从飞行器的推力中受益，它必须克服这种极其稀薄的空气的限制。

所以拥有一架非常轻的飞机非常重要，因为你的大气层非常稀薄。第二个挑战是火星在晚上变得非常冷。零下 90 摄氏度的温度并不少见。所以我们必须熬夜。我们有电池，我们有大量现成的商用零件以及其他更坚固的零件。

尽管如此，我们还是尽量让它们保持温暖。所以我们在直升机上的很多能量预算都花在了保持电子设备和电池温暖上。因此，在火星之夜中幸存下来尤其具有挑战性。最重要的是，我们面临任何进入太空的常规挑战。您必须非常强壮才能承受发射振动载荷。

您必须足够强壮以承受在进入、下降和着陆过程中感受到的重力。你有火星的辐射环境。然后当然还有火星，那里有尘土飞扬的大气，所以各种与密封任何机械部件有关的事情。所以这使得飞机挑战变得困难，因为我们不仅试图制造这种非常轻的飞机，我几乎要用游丝这个词，飞机将尽可能轻，

但它也必须足够坚固以承受太空旅行的所有严酷考验。发射振动载荷相当于 60 g 力。当然，这是一种振动，而不是一种延音。当你进入大气层时，入口下降载荷有很多很多 G。所以你有这个非常轻巧、精致的东西，它必须很坚固。所以这是一个很大的挑战。

第三个挑战是我们还必须适应火星的旗舰任务。所以安全，住宿限制。我们的腹部有一点空间，我们必须以最佳方式使用它。这实际上决定了我们可以制造多大的刀片。我们必须确保我们所有的系统、电池、部署系统对于这个漫游者的主要任务来说都是非常安全的，这是第一个真正寻找前世生命迹象的天体生物学任务。但我们不想危及那里的任何东西。

因此，在安全方面，在行星保护方面，有一个特别的考虑，让我们自己保持非常干净。所以这是这个特定任务的另一个重大挑战。最后，还有更多，但我会停在这个。我们必须发明一个完整的测试程序来测试这个直升机系统，并让每个人相信它不仅可以飞行，而且还可以在环境中生存。

而且它对火星车也是安全的，而且没有教科书教你如何测试火星直升机。所以我们基本上必须一路写那本教科书，老实说，如果我知道我们测试程序的复杂性、细微差别和磨难，如果我在前面知道这样，我可能不会接受整个东西。但它是一个组合。这是一架飞机，这是一艘航天器，

Nunley：你说的是把这一切结合在一起所需要的一切。让我们回顾一下团队开发直升机过程中的里程碑。是什么让您确信 Ingenuity 已准备好在火星上飞行？

巴拉拉姆：嗯，我们首先开发了一些直升机飞行的比例模型，我们发现了在火星上飞行的一些问题。因此，最初的努力之一是降低风险计划，在该计划中，我们对直升机旋翼系统进行了精确设计，如果您愿意的话，还包括叶片、形状、长度，然后我们建造了一架由外部电源提供动力的原型直升机。

计算机是外部资源，但我们首先飞了它，并让每个人都相信我们知道如何在火星上飞行。一旦我们这样做了，我们就获得了建立我们所谓的两个工程开发模型的绿灯。这些基本上与飞行设计相同。所以他们基本上添加了你拥有的所有其他子系统，不仅仅是飞行部分，我们用降低风险的工具展示了它，还有电信，太阳能电池板，

我们构建了其中的两个来探索测试程序中设计的两个方面。一个是，这最后一艘飞船知道如何在火星上飞行吗？我们经历了很长时间的测试活动，并在测试室中积累了许多、许多、数十分钟的飞行时间。在喷气推进实验室，我们有一个直径 25 英尺、相当高的舱室，我们所有的飞行都在里面进行。

因此，其中一个工程开发模型基本上是飞行测试活动车辆，以证明它可以安全飞行，我们了解所有控制问题。我们了解导航的所有细节。另一个经历了环境测试活动。它的设计基本上是为了确保它能够在振动环境等环境中幸存下来，并且可以在终端循环中度过整个夜晚。

所以那辆特定的车辆通过了我们在喷气推进实验室的所有测试室，通过振动、冲击和低温等。因此，一旦我们在这两个方面都取得成功，他们就会在最终飞行器中进行细微的设计修改。例如，我们略微增加了沿机身的绝缘间隙。在此过程中，我们还发现了一些小事情的其他变化。

因此，我们随后开始构建我们所说的飞行模型。所以，我们有两个工程开发模型，然后我们有一个飞行模型。飞行模型得到了更仔细的处理。它没有看到工程模型所进行的大量飞行。我们只是把它飞到足以确保它可以飞的程度，但它处理得非常精细。

然后该飞行单元与漫游车进行了联合测试程序，以确保它可以安全部署。因此，火星车进行了为期两周的测试活动，例如，他们在一个模拟整个火星环境的大型环境室中并在那里待了多天，我们是测试计划的一部分。

在测试程序达到高潮时，他们实际上将飞行装置部署到了测试舱的表面上，当然这就是火星在火星上的表面。我们完成了这个组合测试程序，以确保我们与漫游车的集成非常好，并且我们对漫游车是安全的。那时，我们已经准备好与航天器本身进行最后的整合，这发生在肯尼迪航天中心。然后我们就被推出了。

Nunley：您和团队是否能够应用从以前的火星任务和技术演示中吸取的经验教训？

巴拉拉姆：在某些方面。Sojourner 是第一个技术演示，如果你愿意的话，它为我们所见过的所有更强大、更大的漫游车铺平了道路。所以我认为这些课程实际上更多是关于我们如何合作。我们有小型敏捷团队，他们非常有能力快速解决我们面临的所有问题。

但我不认为有任何直接的先兆，我们会说这是我们吸取教训的明显地方。我们确实与正在做 MarCO CubeSats 的人进行了交谈，看看他们在做为 Insight 中继的小 CubeSats 时有什么，他们有什么样的提示和指示。我们与他们进行了交谈，但是鉴于我们真的是第一个，我们确实没有太多人在寻找文档或寻找任何东西。

Nunley：这是第一次在另一个星球上驾驶直升机的尝试是一个工程奇迹。鲍勃，你成为这个项目的总工程师感觉如何？

巴拉拉姆：嗯，现在已经快七年了，这是一次非常令人兴奋的旅程。尽管我在 1990 年代最初提出这个想法更多的是作为一项研究工作，但实际上并没有任何进展。我们没有得到资助。NASA Ames 的一些人当时也一直在思考类似的问题。

由于探路者任务的所有兴奋，美国直升机协会当时也为此举办了学生比赛。但它基本上一直搁置到 2013 年，当时 JPL 实验室主任 Charles Elachi 博士想要关于这种可能性的简报，这让我们继续前进。所以这是一个七年的旅程，我想我已经开玩笑了，但不是开玩笑，每周都有一场危机，有趣的危机。我喜欢把这些东西看作是学习的机会，

正如我所说，我们真的在努力解决尽可能轻量级的整个问题。建造看起来像直升机的东西非常容易，从我提到的所有问题来看，它都很坚固且防弹。但猜猜怎么了？它无法在火星上升空，即使火星的重力约为地球的 40% 并且有一点帮助，但你不能让它太重。

所以我正在管理直升机及其所有组件的质量，直到克级甚至亚克级。我是业余时间的背包客。而且我知道该策略有效。在这里剪一点，那里剪一点。我们必须做一个比传统航天器更全面的设计，因为在传统航天器中，你有子系统，这些子系统被赋予分配和舒适的余量，

但是我们必须做非常集成的设计。我们的太阳能电池板用作电信通信背板。它必须容纳一个天线。因此，我们不能只告诉电力人员去购买太阳能电池板，而让电信人员做其他事情。我们必须让他们一起工作。在这个系统工程中有各种非常有趣的交易空间。

所以这是一段非常激动人心的旅程，我们拥有一支非常有才华的团队，他们非常热情。所以这很有趣，我们已经实现了每一个里程碑。我们之前做过的那次降低风险的飞行，这是第一次有人在相当于 100,000 英尺的大气层中作为旋翼机飞行过这样的飞行。工程开发模型、它们的成功、对漫游车的整体适应、测试程序、

甚至现在，我们有一架健康的直升机，它会定期充电。它的电池每周左右充电一次，如果您愿意，可以将其充电至安全水平。所以，所有这些事情都是我庆祝的里程碑，团队庆祝，所以这是一段旅程。

Nunley: : Ingenuity 如何影响未来的火星任务？

巴拉拉姆：嗯，我认为主要的是它为火星探索添加了维度天线。我认为人们可能会不情愿地欣赏无人机在地球上所做的一切，对吧？现在，Ingenuity 并不是一架无人机。这不是您可以在 Radio Shack 购买并飞等的东西，但事实是您拥有那个有利位置。

现在，当然，没有火星科学直升机能像拥有多种科学仪器的旗舰火星车一样强大。但是火星科学直升机将从中受益，甚至未来可能有助于人类探索计划的更多火星探索直升机，它们给你的是范围和范围。我们可以到达漫游车无法行驶的地方。我们可以旅行很多，

我们正在考虑 25 公斤级的火星科学直升机，可携带多公斤、三公斤、四公斤、五公斤的科学有效载荷。那么，如果您拥有这种科学有效载荷并且可以到达以前无法到达的地方，并且可以穿越以前从未穿越过的距离，那么您能想到哪些令人兴奋的任务呢？

我会做的类比是地球的陆地面积与火星的总面积完全相同。所以如果你不考虑海洋，它们是可比的。想象一下，如果你用几辆着陆器和几辆漫游车探索了地球，这些漫游车从他们着陆的地方行驶了大约 15 到 20 英里。那仍然会留下很多地球去探索。当然，你会在轨道上做很多事情，就像你在火星上做的那样，但真正探索的可能性，

这些东西可以充当侦察兵，这样如果你有火星车或宇航员需要从 A 点到达 B 点，他们可以提前侦察，寻找最佳路线，初步评估最终目的地可能是什么看起来很详细。您可以从相机或直升机上的任何其他仪器获得的分辨率远远超过从轨道获得的分辨率。

从视觉上看，它与您可能从漫游车获得的东西几乎相同，但漫游车是地球上相对静止的物体。在这里，您拥有一种能力，可以让您四处漫游并以高分辨率查看事物。因此，如果我们在这里进行了成功的试飞并从中吸取教训，然后将其整合到将来的设计中，那么我认为它有可能改变一切。所以还是高风险的

因此，本着这种精神，我认为我们正试图推动这一前沿，并将空中机动性作为探索的一部分。我认为我们学到的一些东西，特别是在操作方面和其他东西，也将有利于 2030 年代发生的其他空中任务。蜻蜓将来到泰坦。所以，我认为，有一个空中探索的时代，至少对于一些像火星和泰坦这样有大气层的行星来说，我认为这代表了 NASA 探索历史的新篇章。