火星探測正吸引著全世界的目光。

如何更高效地開展火星探測也成為全球共同面臨的難題。火星無人機被視為解決問題的方向之一。

近日，記者從中科院國家空間科學中心（以下簡稱空間中心）了解到，早在2019年，中科院相關團隊就已針對火星無人機開展預先研究，經過為期兩年的研制，日前自主設計研制的火星無人機原理樣機預研項目已通過驗收。

火星無人機原理樣機。中科院國家空間科學中心供圖

做火星車的“導游”

2016年1月11日，我國火星探測任務正式立項，并計劃在2020年左右通過火星衛星、火星著陸器、火星車天地聯合探測火星。

這個消息讓中科院復雜航天系統電子信息技術重點實驗室（以下簡稱實驗室）研究員卞春江產生了一個新想法。

他分析，火星車在復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。

“有沒有可能設計一個可以在火星巡飛的多光譜探測系統，給火星車當導游？”

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基礎，卞春江提出“火星無人機”構想并申請了北京市科委的空間科學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鍵技術研究”。

“這個無人機本質上是一臺帶有微型多光譜探測成像系統的巡飛無人機，可充當火星車的領航員，實現火星車科學探測效能的倍增。”卞春江說。

卞春江介紹，按照火星無人機的設計能力，在一次飛行中，它可以完成半徑幾百米范圍的火星地表成像，快速、精確掌握火星車周邊地形和地表物相關成分信息。

“通過微型光譜儀，無人機能對火星上的巖石等地表物進行探測，看看有沒有可能存在水、碳基有機物、氮化物等代表生命跡象的物質，如果發現高價值的目標，無人機可以引導火星車又快又準地抵達。同時，無人機也能夠快速掌握火星車周邊地形地貌，幫助火星車避障。”

卞春江說，“如此一來，在無人機的引導下，火星車既可以高效完成科學探測任務，還能在行駛中準確避開危險區域。”

骨骼清奇的無人機

在位于空間中心的實驗室，記者見到了這架火星無人機原理樣機。

與人們平日里看到的有4個螺旋槳的方形無人機不同，火星無人機骨骼清奇。

它的“頭”上有兩根平行的、各1.4米長的螺旋槳，螺旋槳的下面有四條機械“腿”，還有一個等待包裝起來的四方形“肚子”，“肚子”里可以安裝作為“大腦”的計算機及電池等單元。

卞春江告訴記者，這臺無人機搭載了一臺微型光譜儀，所有的設備加起來，無人機的總重量為2.1公斤。

在設計性能方面，火星無人機的飛行高度初步定位在5~10米，一次可以飛3分鐘，1分鐘能飛300米左右，可通過無線充電的方式從火星車獲得電力。

“飛行高度較低是為了讓光譜儀看得清楚并保證飛行安全。一次只能飛3分鐘，主要是受機載能源及溫控的限制。”卞春江說。

今年4月19日，美國“機智”號無人直升機在火星上實現首飛，采用了與中國火星無人機類似的結構。

“這一結構是由火星飛行環境和既有技術路線決定的。”卞春江說。

設計之初，卞春江和團隊成員先明確了設計目標——升力強、自重輕、結構緊湊易搭載運輸。

“火星大氣稀薄，相當于地球35公里高的大氣環境，因此，無人機必須在稀薄大氣下產生足夠的升力才能飛起來。由于火星和地球距離遙遠，考慮到未來火星車搭載能力，因此必須自重輕、結構緊湊易運輸。”卞春江說。

根據這樣的目標，他們開始尋找最適合的方案。

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境特點，火星上不可能建跑道，因此，選擇垂直起降的直升機設計方案成為必然。

“垂直起降無人機主要有三種設計方式。一種是單旋翼帶尾槳方式，前后共兩個旋翼；一種是常見的四旋翼式；還有一種是在一根軸上裝兩個旋翼、兩個旋翼逆向旋轉的共軸雙旋翼式。”卞春江說。

無人機要想有更強的升力，就要有更大槳盤面積。

如果用單旋翼尾槳式無人機，無人機有“尾巴”，在保證同等升力的情況下，槳盤直徑大、結構不夠緊湊，不利于搭載運輸；如果用多旋翼式無人機，無人機的體積勢必會很大。

而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，團隊成員最終選擇了共軸雙旋翼的技術路線。

關于無人機的“腿”該怎么設計，團隊成員也做了諸多嘗試。

“在重量有限制、要方便折疊，又必須讓無人機平穩著陸的要求下，四條腿最為合適。”卞春江說。

“還有很多工作要做”

前不久，火星無人機預研項目通過驗收，預研項目被評價為“為我國后續火星探測提供可能手段”。

“預研項目的研究目標是突破火星地表巡飛探測系統的關鍵技術，為未來火星地表區域巡飛光譜探測奠定技術基礎。”卞春江表示，通過火星地表巡飛光譜探測系統原理樣機研制與環境模擬測試，研究人員已驗證相關技術的可行性。

但是，卞春江也直言，火星無人機“后續還有很多工作要做”。

“例如，火星無人機的設計壽命至少要在幾個月甚至一年以上，需要克服在火星上極低溫度、陣風沙塵等復雜環境應用難題，后續團隊將重點圍繞無人機在火星地表復雜環境長期生存的問題，開展相關技術攻關與驗證工作。”

此外，卞春江表示，火星無人機的后續研制，需要有低壓、低溫、大尺寸環境模擬試驗條件，但目前國內還沒有能夠同時滿足這些條件的試驗艙。

為了讓研究工作能夠繼續往下推進，他們正在想辦法爭取新支持。

“未來5~6年將是研究的窗口期。”卞春江說，“我們希望能夠攻克這些技術難題，讓無人機搭載下一次火星探測任務登上火星。”

《中國科學報》 (2021-09-10 第4版 綜合 原標題為《火星無人機怎么飛？》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛