在電影《玩具總動員》中，主人公巴斯光年雖然只是一個玩具，但自認為是遠方星際的領袖，一心想要飛向太空，探索宇宙。他有一句著名的口頭禪：To infinity and Beyond（飛向宇宙，浩瀚無垠），激勵了一代年輕觀眾，NASA（美國國家航空航天局）也經(jīng)常在各種官方報道中引用這句話，表明其太空探索的決心。
近日，開源領域的 Linux 操作系統(tǒng)也成為了 To infinity and Beyond 的一員，乘坐美國“毅力”號火星車成功在火星赤道以北的耶澤羅隕石坑著陸。在這之中，該火星車首次搭載了一架使用 Linux 系統(tǒng)的直升機——機智號，NASA 也將直升機的 Linux 飛行控制系統(tǒng)在 GitHub （https://github.com/nasa/fprime）上進行了開源。
今天我們就來看“毅力號”和“機智號”，以及其背后運用的 Linux 技術的故事。
在稀薄空氣中起飛的機智號
2021 年 2 月 19 日，耗資 27 億美元的火星探測器毅力號，以每小時 19312 公里的速度撞擊火星大氣層。僅七分鐘后，NASA 就將這輛最新的火星探測車安全地降落在火星表面。
除了探測車本身，毅力號還攜帶了一個一噸重的移動實驗室，和一輛 1.8 公斤的無人直升機——機智號（Ingenuity）。
如果進展順利，機智號將成為有史以來第一架在地球之外星球飛行的直升機。在距地球 2 億公里的火星，沒有人能使用遙控器控制它，這是一臺由 JPL（NASA Jet Propulsion Laboratory，NASA 噴氣推進實驗室）設計、搭載 Linux 開源系統(tǒng)和 F Prime 飛行軟件框架的自動飛行器。
事實上，直升機在火星上起飛并不是一件容易的事，火星引力只有地球的三分之一，但火星表面的空氣密度只有地球的 1%，稀薄的空氣很難讓直升機獲得足夠升力。所以，機智號必須很輕，旋翼葉片要更大，旋轉(zhuǎn)速度也得非常快。經(jīng)過復雜的設計，機智號的工程師最終完成了這個巨大的挑戰(zhàn)。
和毅力號探測器不同，機智號直升機的任務是為了在火星上尋找古老生命的跡象，采集火星巖石和泥土樣本，然后讓毅力號探測器帶回地球，同時也證明了可以使用現(xiàn)成的商業(yè)（COTS）硬件和開源軟件在火星上執(zhí)行任務。
揭秘「機智號」背后的硬件——小米 4 同款處理器驍龍 801
面對這樣的實踐應用，JPL 飛行軟件工程師 Timothy Canham 在接受 IEEE Spectrum 采訪時表示，他也透露機智號直升機使用的處理器，是一款我們很熟悉的芯片——高通驍龍 801。
這是一款 2014 年的商用芯片，你可能會覺得它太舊太慢了，但是它比毅力號的處理器已經(jīng)快很多了。這是因為 NASA 使用的 CPU 和芯片必須滿足 HPSC（高性能航天計算輻射）標準，這些經(jīng)過特殊定制的處理器需要多年的設計和測試，才能獲得太空飛行認證。
開源軟件 Linux 飛出地球，奔赴火星
對于機智號直升機的軟件部分，Canham 透露道：
這是我們第一次在火星探測任務上使用運行 Linux 的設備，軟件框架是 JPL 為 CubeSats 系統(tǒng)和 instruments 專門開發(fā)的，幾年前我們就將它開源了。所有人都可以獲取火星直升機同款的的飛行軟件框架，并在自己的項目中使用它。
這是一次開源的勝利，我們之后還會開發(fā)一個開源操作系統(tǒng)和一個開源飛行軟件框架，發(fā)布一些飛行零件，如果你想自己動手 DIY 的話，直接購買并組裝就可以。
Canham 提到的開源軟件就是 F Prime 。它是一個組件驅(qū)動的框架，可用于快速開發(fā)和部署航天以及其他嵌入式軟件應用程序。F Prime 已經(jīng)多次成功地部署在多個太空應用程序上。它是量身定制的，但不限于小型航天系統(tǒng)，例如 CubeSats、SmallSats 以及現(xiàn)在的自動飛行直升機。
NASA 多年來都在國際空間站（ISS）上都使用 Linux。Linux 也是超級計算機統(tǒng)治者的道路始于 NASA 的戈達德太空飛行中心（GSFC）的第一臺 Beowulf 超級計算機搭載的系統(tǒng)。
像機智號一樣，第一個 Beowulf 集群也是使用 COTS 設備構建的。它使用 16 個 Intel 486DX 處理器和 10Mbps 以太網(wǎng)構建，而總線的價格僅為幾千美元。盡管它的速度僅為個位數(shù)的千兆位，但 Beowulf 證明了可以在不菲的預算和 Linux 下構建超級計算機。現(xiàn)在，機智號再次證明，偉大的事情仍然可以來自于 Linux 開源軟件搭配兼容性的硬件來完成。
