此前NASA宣布，4月11日，火星直升機“機智號”（Ingenuity）將首次在火星自主飛行，但由於數據出錯，首飛時間改為不早於4月14日。此次飛行中，機智號將根據航點進行自主爬升、懸停、平移、降落飛行，如若成功，將證明直升機用作探索火星工具是可行的。

“機智號”是一台小型雙螺旋槳直升機，僅重1.8千克，大小猶如紙巾盒一般，配備高通驍龍801處理器、VGA攝像機、激光高度計、斜率計等傳感器導航，由兩個1.2米碳纖維轉子推進。2021年2月，機智號搭乘NASA“毅力號”抵達火星，4月4日成功登陸火星表面。

當機智號在太空完全自主運行前，NASA噴氣推進實驗室進行了大量模擬練習和飛行檢查，通過模擬火星大氣條件、火星重力、直升機飛入火星時的物理和視覺環境等，來將機智號調試到最佳狀態。機智號的首席飛行員霍華德·格里普（Howard Gripp）對該系統進行了介紹。

一、構建仿真模擬系統，“還原”火星環境

為了讓機智號能在火星上飛起來，格里普團隊起初使用模擬工具設計直升機原型，並在真空室中設計了一整套測試系統來複製火星的大氣條件。

當遇到火星引力等很多無法複製的事情時，團隊只能依靠模擬系統盡可能地還原，因此研發了一種火星直升機仿真模擬系統——DARTS SHELL（飛鏢殼；Dshell）。該系統是一個多任務航天器模擬系統，用於測試和驗證飛行和硬件，可為大型硬件模型提供支持。

該模擬系統基於噴氣推進實驗室運行30餘年的多體模擬框架，格里普團隊在其中加入旋翼模型和空氣動力學模型，來進行火星引力、火星空氣動力學環境和直升機飛入時的物理、視覺環境的模擬。

▲模擬系統中的“機智號”

由於火星大氣稀薄，密度只有地球大氣的1%，飛行器必須足夠輕盈才能夠飛得動。因此，在還原火星引力時，模擬器可通過讓直升機重量參數變小，或增加外部繩索牽引以達到減輕直升機重力的效果。

在大氣和視覺環境的還原上，模擬系統能夠進行直升機從預設A點到B點的完整飛行測試，包括直升機起飛時內部飛行軟件的運行、攝像頭飛行時的拍攝圖像等。

格里普表示，模擬系統在一定程度上彌補了在地球上做不到的物理測試，團隊可以根據在地球上的測試參數來驗證模擬，並且能夠在任意場景進行大量測試。例如團隊使用蒙特卡羅法，連續飛行一千次，從中找出穩定參數。蒙特卡羅法也稱統計試驗法，用以描述一個系統運行過程中的隨機現象。

二、模擬系統存干擾，能力範圍內求精準

在地球測試火星直升機必定與火星條件下運行存在偏差，因此多次調試非常重要。

目前火星直升機通過了許多測試，例如：團隊可以在崎嶇不平的模擬地形下運行直升機，讓直升機按照既定目的行駛。”

▲“機智號”飛行區衛星影像

但是，地球上能做的物理測試是有限的，很多方面還存在不確定性。在不確定性很高的方面，團隊在力所能及的範圍內構建模擬，將直升機模擬器置身於沙塵暴、氣旋等極端情況下，測試超出真實參數的範圍，以探討在極端情況下的應對策略。

模擬系統也不完美。團隊使用的模擬傳感器具有現實的模擬噪聲和偏差水平，攝像頭圖像的呈現存在現實干擾。如果不在意這些事情，就會略過很重要的細節。因此，團隊盡量做到準確，並通過在高度不確定的區域進行超邊界捕捉。

模擬調試完畢後，在機智號起飛之前，團隊還需進行各種飛行檢查，例如驗證控制系統的響應性。

驗證內容包括：1、機智號在不起飛的情況下將葉片旋轉到每分鐘2537轉的全速；2、第一次飛行時速從每秒1米爬升到3米；3、爬升至3米處懸停30秒並原地旋轉；4、下降著陸。

三、模擬系統設計週期長，更強CPU可加速迭代

在直升機建模過程中，格里普團隊發現：火星直升機的轉子動力學與地球直升機大不相同，轉子相應葉片彎曲時產生的振動要比在地球上小。如果不考慮這一點，直升機在真實火星環境下的反應系統將非常緩慢。

因此，格里普團隊改變車輛設計，製造來一個極其輕便和堅硬的轉子，使其能夠在火星大氣層中更快的旋轉。

▲模擬系統中的“機智號”起飛

火星直升機的設計週期很長，需要構建和開發測試程序並多次使用真空室來測試它，而不是把它建出來之後再一點點調試。

對於模擬系統還有多少改進空間，格里普表示，模擬系統在運行時需要很多CPU計算資源同時運作，如果未來有更強的計算能力運用其中，模擬空間也有更高的保真度。

未來的火星直升機可以通過高保真空氣動力學模型和更大的多體模型緊密結合起來，快速迭代。

結語：“機智號”首飛推遲顯現技術難題

“機智號”首飛推遲，再次表明了火星上直升機運行的難度係數之高，仿真模擬系統無法預測所有存在的不確定性。希望經過修正調試後，4月14日“機智號”能如期飛行。

直升機與現有火星探索手段相比具有很多優勢。一方面，它可以提供從地面幾米到幾十米高度的或型地面詳細圖像，彌補軌道飛行器圖像分辨率有限的不足。另一方面，它能夠不受地形限制充當偵察平台，與軌道飛行器配合，繪製地形圖為其路徑規劃提供參考。

“機智號”若成功飛行，可為火星探索提供了一種全新途徑，將加快火星生命探索、地質勘探、氣候環境測量等研究進度，甚至為將來人類登陸火星進行探索做準備。