提到火星無(wú)人機(jī)，你可能會(huì)想起搭乘「毅力號(hào)」前往火星的「機(jī)智號(hào)」無(wú)人機(jī)。今年四月，在世人矚目下，機(jī)智號(hào)完成了持續(xù)約 40 秒的火星首飛，在垂直上升 3 米后，執(zhí)行了懸停、下降和著陸等所有設(shè)定動(dòng)作。機(jī)智號(hào)創(chuàng)造了人類(lèi)在火星上的「萊特兄弟時(shí)刻」。

在地球以外的行星放飛無(wú)人機(jī)除了工程技術(shù)方面的意義，還會(huì)對(duì)探索帶來(lái)很大幫助，實(shí)際上國(guó)內(nèi)關(guān)于火星無(wú)人機(jī)的研究也早已開(kāi)始。

早在 2019 年，中科院相關(guān)團(tuán)隊(duì)就已針對(duì)火星無(wú)人機(jī)開(kāi)展預(yù)先研究，經(jīng)過(guò)為期兩年的研制，日前自主設(shè)計(jì)研制的火星無(wú)人機(jī)原理樣機(jī)預(yù)研項(xiàng)目已通過(guò)驗(yàn)收。

2019 年 3 月，基于實(shí)驗(yàn)室在飛行器、電子通信、人工智能等方面的技術(shù)基礎(chǔ)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（NSSC）卞春江研究員策劃了「火星無(wú)人機(jī)」構(gòu)想并申請(qǐng)了北京市科委的空間科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室培育項(xiàng)目，同年 6 月，項(xiàng)目正式立項(xiàng)，名為「火星地表巡飛光譜探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究」。

火星無(wú)人機(jī)原型

火星雖然重力較小，但大氣稀薄，大氣密度不足地球的 1%，相當(dāng)于地球在 35 公里高的大氣環(huán)境。因此，火星無(wú)人機(jī)必須在稀薄大氣下產(chǎn)生足夠的升力才能飛起來(lái)。

基于此，設(shè)計(jì)之初，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就明確了設(shè)計(jì)目標(biāo)——升力強(qiáng)、自重輕、結(jié)構(gòu)緊湊、易搭載運(yùn)輸。

目前，常見(jiàn)的飛行器有兩種——固定翼和直升機(jī)，鑒于火星探測(cè)及其地表環(huán)境的特點(diǎn)，火星上不可能建跑道，因此，選擇垂直起降的直升機(jī)成為必然。

垂直起降無(wú)人機(jī)主要有三種設(shè)計(jì)方式：?jiǎn)涡韼矘?、四旋翼式和共軸雙旋翼式。無(wú)人機(jī)想要有更強(qiáng)的升力，就需要有更大的槳盤(pán)面積。共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)能在最小的輪廓尺寸下具有最大的槳盤(pán)面積，有利于在稀薄大氣中獲取足夠的升力，因此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)最終選擇了共軸雙旋翼的設(shè)計(jì)方式。

該火星無(wú)人機(jī)原型的頂部有兩根平行的、各 1.4 米長(zhǎng)的螺旋槳，即為一種共軸雙旋翼直升機(jī)，機(jī)翼正下方是高度集成的能源、控制及有效載荷系統(tǒng)。

圖源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/9/464773.shtm

機(jī)智號(hào)采用太陽(yáng)能電池板為電池充電，足以在每個(gè)火星日進(jìn)行一次 90 秒的飛行。而 NSSC 團(tuán)隊(duì)則設(shè)想了更進(jìn)一步的方案——通過(guò)漫游車(chē)采用無(wú)線充電，或者將兩種電力系統(tǒng)結(jié)合。

該火星無(wú)人機(jī)原型總重量為 2.1 公斤，比機(jī)智號(hào)（1.8 公斤）略重一些。按照設(shè)計(jì)它將在 5-10 米的高度飛行，達(dá)到每分鐘 300 米左右的速度，每次飛行可持續(xù) 3 分鐘，飛行的限制主要在于能耗和溫度控制，同時(shí)也需要讓它自帶的探測(cè)系統(tǒng)保持在觀察范圍之內(nèi)。

火星車(chē)的「導(dǎo)游」

火星的地形存在明顯的南北差異。南半球遍布著高低起伏的山脈與峽谷，以及大大小小的隕石坑，北半球的地形則相對(duì)比較平坦。

火星車(chē)在復(fù)雜的火星地表行駛時(shí)，可能會(huì)存在行駛受限制、前進(jìn)速度較慢、探測(cè)范圍較小等問(wèn)題。因此，絕大多數(shù)火星著陸探測(cè)器都降落在北半球及赤道附近，南半球的探索任重道遠(yuǎn)。

卞春江提出來(lái)一種設(shè)想：「有沒(méi)有可能設(shè)計(jì)一個(gè)可以在火星巡飛的多光譜探測(cè)系統(tǒng)，給火星車(chē)當(dāng)導(dǎo)游？」

這個(gè)想法的具體內(nèi)容是：通過(guò)對(duì)前方區(qū)域進(jìn)行成像，漫游車(chē)可以更好地選擇路線，避開(kāi)那些限制駕駛并給駕駛帶來(lái)挑戰(zhàn)的區(qū)域。

此外，無(wú)人機(jī)上的微型多光譜成像系統(tǒng)還可以檢測(cè)具有科學(xué)價(jià)值的目標(biāo)，以提供一些重要化合物的證據(jù)。無(wú)人機(jī)提供初步數(shù)據(jù)后還能指導(dǎo)漫游車(chē)進(jìn)行更詳細(xì)的觀察。

未來(lái)的工作

為了模擬火星表面的真實(shí)環(huán)境，卞春江表示，未來(lái)該火星無(wú)人機(jī)的研發(fā)和測(cè)試將在火星極低的大氣壓力、低溫等復(fù)雜環(huán)境變量中運(yùn)行。并且為了成功支持科學(xué)探索目標(biāo)，火星無(wú)人機(jī)的可用壽命至少達(dá)到幾個(gè)月甚至一年以上。

為了能夠真正測(cè)試無(wú)人機(jī)的性能，研究人員必須在地球上設(shè)置合理的模擬條件。卞春江表示，中國(guó)目前沒(méi)有能夠滿足所有參數(shù)的設(shè)施。面對(duì)機(jī)智號(hào)的類(lèi)似挑戰(zhàn)，加州理工學(xué)院的研究者們?cè)ㄔ炝艘粋€(gè)定制風(fēng)洞進(jìn)行測(cè)試，NSSC 團(tuán)隊(duì)可能同樣需要采取定制的方法。

「接下來(lái)的五到六年會(huì)是研究窗口，」卞春江說(shuō)道?！肝覀兿Ｍ朔@些技術(shù)問(wèn)題，讓下一次火星探索任務(wù)能夠在火星上起飛無(wú)人機(jī)?！?/p>

何時(shí)才能看到中國(guó)的火星無(wú)人機(jī)呢？我們目前還沒(méi)有確切的消息。中國(guó)的第一輛火星車(chē)，「天問(wèn)一號(hào)」火星探測(cè)器搭載的「祝融號(hào)」于今年 5 月成功登陸火星，一趟任務(wù)完成了繞落巡三大目標(biāo)。與之前的月球任務(wù)不同，火星探測(cè)沒(méi)有備用的登陸器。我國(guó)的下一次行星際任務(wù)預(yù)計(jì)將在 2028-2030 年左右進(jìn)行，那會(huì)是一次復(fù)雜且史無(wú)前例的火星樣本收集返回任務(wù)，而在這之前將有一次從小行星上獲取采樣的「預(yù)演」。

今年 4 月 19 日，美國(guó)宇航局 NASA 宣布毅力號(hào)攜帶的火星無(wú)人機(jī)「機(jī)智號(hào)」成功完成了火星上的首次飛行，并完成 3 米高度懸停 30 秒的高難度動(dòng)作。

NASA 的無(wú)人機(jī)「機(jī)智號(hào)」。

在 1903 年萊特兄弟的飛行器首飛六年之后，廣東出生的馮如成功駕駛自己的雙翼飛機(jī)完成了試飛。同樣，在未來(lái)幾年里，中國(guó)將尋求在另一個(gè)星球上實(shí)現(xiàn)自己的首次動(dòng)力飛行。