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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 。
【地震|下一次火星任务，中国要放飞自己的无人机】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 。
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 。
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