火星只有地球 1% 的大氣密度，但以后火星車要是不帶個無人機可能就顯得不夠先進了。

　　提到火星無人機，你可能會想起搭乘「毅力號」前往火星的「機智號」無人機。今年四月，在世人矚目下，機智號完成了持續(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)定動作。機智號創(chuàng)造了人類在火星上的「萊特兄弟時刻」。

　　在地球以外的行星放飛無人機除了工程技術(shù)方面的意義，還會對探索帶來很大幫助，實際上國內(nèi)關(guān)于火星無人機的研究也早已開始。

　　早在 2019 年，中科院相關(guān)團隊就已針對火星無人機開展預(yù)先研究，經(jīng)過為期兩年的研制，日前自主設(shè)計研制的火星無人機原理樣機預(yù)研項目已通過驗收。

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

　　火星無人機原型

　　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，火星無人機必須在稀薄大氣下產(chǎn)生足夠的升力才能飛起來。

　　基于此，設(shè)計之初，研發(fā)團隊就明確了設(shè)計目標(biāo)——升力強、自重輕、結(jié)構(gòu)緊湊、易搭載運輸。

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

　　垂直起降無人機主要有三種設(shè)計方式：單旋翼帶尾槳式、四旋翼式和共軸雙旋翼式。無人機想要有更強的升力，就需要有更大的槳盤面積。共軸雙旋翼無人機能在最小的輪廓尺寸下具有最大的槳盤面積，有利于在稀薄大氣中獲取足夠的升力，因此，研發(fā)團隊最終選擇了共軸雙旋翼的設(shè)計方式。

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

　　機智號采用太陽能電池板為電池充電，足以在每個火星日進行一次 90 秒的飛行。而 NSSC 團隊則設(shè)想了更進一步的方案——通過漫游車采用無線充電，或者將兩種電力系統(tǒng)結(jié)合。

　　該火星無人機原型總重量為 2.1 公斤，比機智號（1.8 公斤）略重一些。按照設(shè)計它將在 5-10 米的高度飛行，達到每分鐘 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，同時也需要讓它自帶的探測系統(tǒng)保持在觀察范圍之內(nèi)。

　　火星車的「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比較平坦。

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

　　卞春江提出來一種設(shè)想：「有沒有可能設(shè)計一個可以在火星巡飛的多光譜探測系統(tǒng)，給火星車當(dāng)導(dǎo)游？」

　　這個想法的具體內(nèi)容是：通過對前方區(qū)域進行成像，漫游車可以更好地選擇路線，避開那些限制駕駛并給駕駛帶來挑戰(zhàn)的區(qū)域。

　　此外，無人機上的微型多光譜成像系統(tǒng)還可以檢測具有科學(xué)價值的目標(biāo)，以提供一些重要化合物的證據(jù)。無人機提供初步數(shù)據(jù)后還能指導(dǎo)漫游車進行更詳細(xì)的觀察。

　　未來的工作

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

　　為了能夠真正測試無人機的性能，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，中國目前沒有能夠滿足所有參數(shù)的設(shè)施。面對機智號的類似挑戰(zhàn)，加州理工學(xué)院的研究者們曾建造了一個定制風(fēng)洞進行測試，NSSC 團隊可能同樣需要采取定制的方法。

　　「接下來的五到六年會是研究窗口，」卞春江說道?！肝覀兿Ｍ朔@些技術(shù)問題，讓下一次火星探索任務(wù)能夠在火星上起飛無人機?！?/p>

　　何時才能看到中國的火星無人機呢？我們目前還沒有確切的消息。中國的第一輛火星車，「天問一號」火星探測器搭載的「祝融號」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，火星探測沒有備用的登陸器。我國的下一次行星際任務(wù)預(yù)計將在 2028-2030 年左右進行，那會是一次復(fù)雜且史無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，美國宇航局 NASA 宣布毅力號攜帶的火星無人機「機智號」成功完成了火星上的首次飛行，并完成 3 米高度懸停 30 秒的高難度動作。

　　NASA 的無人機「機智號」。

　　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完成了試飛。同樣，在未來幾年里，中國將尋求在另一個星球上實現(xiàn)自己的首次動力飛行。