下一次火星任务，中国要放飞自己的无人机

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下一次火星任务，中国要放飞自己的无人机

2021 年 9 月 18 日 机器之心

机器之心报道

编辑：泽南、小舟

火星只有地球 1% 的大气密度，但以后火星车要是不带个无人机可能就显得不够先进了。

提到火星无人机，你可能会想起搭乘「毅力号」前往火星的「机智号」无人机。今年四月，在世人瞩目下，机智号完成了持续约 40 秒的火星首飞，在垂直上升 3 米后，执行了悬停、下降和着陆等所有设定动作。机智号创造了人类在火星上的「莱特兄弟时刻」。

在地球以外的行星放飞无人机除了工程技术方面的意义，还会对探索带来很大帮助，实际上国内关于火星无人机的研究也早已开始。

早在 2019 年，中科院相关团队就已针对火星无人机开展预先研究，经过为期两年的研制，日前自主设计研制的火星无人机原理样机预研项目已通过验收。

2019 年 3 月，基于实验室在飞行器、电子通信、人工智能等方面的技术基础，中国科学院国家空间科学中心（NSSC）卞春江研究员策划了「火星无人机」构想并申请了北京市科委的空间科学国家实验室培育项目，同年 6 月，项目正式立项，名为「火星地表巡飞光谱探测关键技术研究」。

火星无人机原型

火星虽然重力较小，但大气稀薄，大气密度不足地球的 1%，相当于地球在 35 公里高的大气环境。因此，火星无人机必须在稀薄大气下产生足够的升力才能飞起来。

基于此，设计之初，研发团队就明确了设计目标——升力强、自重轻、结构紧凑、易搭载运输。

目前，常见的飞行器有两种——固定翼和直升机，鉴于火星探测及其地表环境的特点，火星上不可能建跑道，因此，选择垂直起降的直升机成为必然。

垂直起降无人机主要有三种设计方式：单旋翼带尾桨式、四旋翼式和共轴双旋翼式。无人机想要有更强的升力，就需要有更大的桨盘面积。共轴双旋翼无人机能在最小的轮廓尺寸下具有最大的桨盘面积，有利于在稀薄大气中获取足够的升力，因此，研发团队最终选择了共轴双旋翼的设计方式。

该火星无人机原型的顶部有两根平行的、各 1.4 米长的螺旋桨，即为一种共轴双旋翼直升机，机翼正下方是高度集成的能源、控制及有效载荷系统。

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

机智号采用太阳能电池板为电池充电，足以在每个火星日进行一次 90 秒的飞行。而 NSSC 团队则设想了更进一步的方案——通过漫游车采用无线充电，或者将两种电力系统结合。

该火星无人机原型总重量为 2.1 公斤，比机智号（1.8 公斤）略重一些。按照设计它将在 5-10 米的高度飞行，达到每分钟 300 米左右的速度，每次飞行可持续 3 分钟，飞行的限制主要在于能耗和温度控制，同时也需要让它自带的探测系统保持在观察范围之内。

火星车的「导游」

火星的地形存在明显的南北差异。南半球遍布着高低起伏的山脉与峡谷，以及大大小小的陨石坑，北半球的地形则相对比较平坦。

火星车在复杂的火星地表行驶时，可能会存在行驶受限制、前进速度较慢、探测范围较小等问题。因此，绝大多数火星着陆探测器都降落在北半球及赤道附近，南半球的探索任重道远。

卞春江提出来一种设想：「有没有可能设计一个可以在火星巡飞的多光谱探测系统，给火星车当导游？」

这个想法的具体内容是：通过对前方区域进行成像，漫游车可以更好地选择路线，避开那些限制驾驶并给驾驶带来挑战的区域。

此外，无人机上的微型多光谱成像系统还可以检测具有科学价值的目标，以提供一些重要化合物的证据。无人机提供初步数据后还能指导漫游车进行更详细的观察。

未来的工作

为了模拟火星表面的真实环境，卞春江表示，未来该火星无人机的研发和测试将在火星极低的大气压力、低温等复杂环境变量中运行。并且为了成功支持科学探索目标，火星无人机的可用寿命至少达到几个月甚至一年以上。

为了能够真正测试无人机的性能，研究人员必须在地球上设置合理的模拟条件。卞春江表示，中国目前没有能够满足所有参数的设施。面对机智号的类似挑战，加州理工学院的研究者们曾建造了一个定制风洞进行测试，NSSC 团队可能同样需要采取定制的方法。

「接下来的五到六年会是研究窗口，」卞春江说道。「我们希望克服这些技术问题，让下一次火星探索任务能够在火星上起飞无人机。」

何时才能看到中国的火星无人机呢？我们目前还没有确切的消息。中国的第一辆火星车，「天问一号」火星探测器搭载的「祝融号」于今年 5 月成功登陆火星，一趟任务完成了绕落巡三大目标。与之前的月球任务不同，火星探测没有备用的登陆器。我国的下一次行星际任务预计将在 2028-2030 年左右进行，那会是一次复杂且史无前例的火星样本收集返回任务，而在这之前将有一次从小行星上获取采样的「预演」。

今年 4 月 19 日，美国宇航局 NASA 宣布毅力号携带的火星无人机「机智号」成功完成了火星上的首次飞行，并完成 3 米高度悬停 30 秒的高难度动作。