機器之心報導
編輯：澤南、小舟
火星只有地球 1% 的大氣密度，但以後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，機智號完成了持續約 40 秒的火星首飛，在垂直上升 3 米後，執行了懸停、下降和著陸等所有設定動作。機智號創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方面的意義，還會對探索帶來很大幫助，實際上國內關於火星無人機的研究也早已開始。
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，經過為期兩年的研製，日前自主設計研製的火星無人機原理樣機預研項目已通過驗收。
2019 年 3 月，基於實驗室在飛行器、電子通信、人工智慧等方面的技術基礎，中國科學院國家空間科學中心（NSSC）卞春江研究員策劃了「火星無人機」構想並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」。
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%，相當於地球在 35 公里高的大氣環境。因此，火星無人機必須在稀薄大氣下產生足夠的升力才能飛起來。
基於此，設計之初，研發團隊就明確了設計目標——升力強、自重輕、結構緊湊、易搭載運輸。
目前，常見的飛行器有兩種——固定翼和直升機，鑑於火星探測及其地表環境的特點，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，有利於在稀薄大氣中獲取足夠的升力，因此，研發團隊最終選擇了共軸雙旋翼的設計方式。
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。
圖源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/9/464773.shtm
機智號採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 團隊則設想了更進一步的方案——通過漫遊車採用無線充電，或者將兩種電力系統結合。
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 3 分鐘，飛行的限制主要在於能耗和溫度控制，同時也需要讓它自帶的探測系統保持在觀察範圍之內。
火星車的「導遊」
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。
火星車在複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、探測範圍較小等問題。因此，絕大多數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。
卞春江提出來一種設想：「有沒有可能設計一個可以在火星巡飛的多光譜探測系統，給火星車當導遊？」
這個想法的具體內容是：通過對前方區域進行成像，漫遊車可以更好地選擇路線，避開那些限制駕駛並給駕駛帶來挑戰的區域。
此外，無人機上的微型多光譜成像系統還可以檢測具有科學價值的目標，以提供一些重要化合物的證據。無人機提供初步數據後還能指導漫遊車進行更詳細的觀察。
未來的工作
為了模擬火星表面的真實環境，卞春江表示，未來該火星無人機的研發和測試將在火星極低的大氣壓力、低溫等複雜環境變量中運行。並且為了成功支持科學探索目標，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的設施。面對機智號的類似挑戰，加州理工學院的研究者們曾建造了一個定製風洞進行測試，NSSC 團隊可能同樣需要採取定製的方法。
「接下來的五到六年會是研究窗口，」卞春江說道。「我們希望克服這些技術問題，讓下一次火星探索任務能夠在火星上起飛無人機。」
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」於今年 5 月成功登陸火星，一趟任務完成了繞落巡三大目標。與之前的月球任務不同，火星探測沒有備用的登陸器。我國的下一次行星際任務預計將在 2028-2030 年左右進行，那會是一次複雜且史無前例的火星樣本收集返回任務，而在這之前將有一次從小行星上獲取採樣的「預演」。
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，並完成 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後，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，在未來幾年裡，中國將尋求在另一個星球上實現自己的首次動力飛行。
參考連結：
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/9/464773.shtm
https://china.huanqiu.com/article/44fNHxMM15W
https://www.cas.cn/cm/202109/t20210910_4805275.shtml
https://spectrum.ieee.org/china-mars-helicopter-rover-exploration