1分鐘300米！中國也有火星無(wú)人機了

火星探測正吸引著(zhù)全世界的目光。

如何更高效地開(kāi)展火星探測也成為全球共同面臨的難題?；鹦菬o(wú)人機被視為解決問(wèn)題的方向之一。

近日，記者從中科院國家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空間中心）了解到，早在2019年，中科院相關(guān)團隊就已針對火星無(wú)人機開(kāi)展預先研究，經(jīng)過(guò)為期兩年的研制，日前自主設計研制的火星無(wú)人機原理樣機預研項目已通過(guò)驗收。

火星無(wú)人機原理樣機。中科院國家空間科學(xué)中心供圖

做火星車(chē)的“導游”

2016年1月11日，我國火星探測任務(wù)正式立項，并計劃在2020年左右通過(guò)火星衛星、火星著(zhù)陸器、火星車(chē)天地聯(lián)合探測火星。

這個(gè)消息讓中科院復雜航天系統電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)驗室）研究員卞春江產(chǎn)生了一個(gè)新想法。

他分析，火星車(chē)在復雜的火星地表行駛時(shí)，可能會(huì )存在行駛受限制、前進(jìn)速度較慢、探測范圍較小等問(wèn)題。

“有沒(méi)有可能設計一個(gè)可以在火星巡飛的多光譜探測系統，給火星車(chē)當導游？”

2019年3月，基于實(shí)驗室在飛行器、電子通信、人工智能等方面的技術(shù)基礎，卞春江提出“火星無(wú)人機”構想并申請了北京市科委的空間科學(xué)國家實(shí)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”。

“這個(gè)無(wú)人機本質(zhì)上是一臺帶有微型多光譜探測成像系統的巡飛無(wú)人機，可充當火星車(chē)的領(lǐng)航員，實(shí)現火星車(chē)科學(xué)探測效能的倍增?！北宕航f(shuō)。

卞春江介紹，按照火星無(wú)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(chē)周邊地形和地表物相關(guān)成分信息。

“通過(guò)微型光譜儀，無(wú)人機能對火星上的巖石等地表物進(jìn)行探測，看看有沒(méi)有可能存在水、碳基有機物、氮化物等代表生命跡象的物質(zhì)，如果發(fā)現高價(jià)值的目標，無(wú)人機可以引導火星車(chē)又快又準地抵達。同時(shí)，無(wú)人機也能夠快速掌握火星車(chē)周邊地形地貌，幫助火星車(chē)避障?！?/span>

卞春江說(shuō)，“如此一來(lái)，在無(wú)人機的引導下，火星車(chē)既可以高效完成科學(xué)探測任務(wù)，還能在行駛中準確避開(kāi)危險區域?！?/span>

骨骼清奇的無(wú)人機

在位于空間中心的實(shí)驗室，記者見(jiàn)到了這架火星無(wú)人機原理樣機。

與人們平日里看到的有4個(gè)螺旋槳的方形無(wú)人機不同，火星無(wú)人機骨骼清奇。

它的“頭”上有兩根平行的、各1.4米長(cháng)的螺旋槳，螺旋槳的下面有四條機械“腿”，還有一個(gè)等待包裝起來(lái)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(wú)人機搭載了一臺微型光譜儀，所有的設備加起來(lái)，無(wú)人機的總重量為2.1公斤。

在設計性能方面，火星無(wú)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(guò)無(wú)線(xiàn)充電的方式從火星車(chē)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?！北宕航f(shuō)。

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

“這一結構是由火星飛行環(huán)境和既有技術(shù)路線(xiàn)決定的?！北宕航f(shuō)。

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(huán)境，因此，無(wú)人機必須在稀薄大氣下產(chǎn)生足夠的升力才能飛起來(lái)。由于火星和地球距離遙遠，考慮到未來(lái)火星車(chē)搭載能力，因此必須自重輕、結構緊湊易運輸?！北宕航f(shuō)。

根據這樣的目標，他們開(kāi)始尋找最適合的方案。

目前，常見(jiàn)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)境特點(diǎn)，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(wú)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(gè)旋翼；一種是常見(jiàn)的四旋翼式；還有一種是在一根軸上裝兩個(gè)旋翼、兩個(gè)旋翼逆向旋轉的共軸雙旋翼式?！北宕航f(shuō)。

無(wú)人機要想有更強的升力，就要有更大槳盤(pán)面積。

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

而共軸雙旋翼無(wú)人機能在最小的輪廓尺寸下具有最大的槳盤(pán)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(shù)路線(xiàn)。

關(guān)于無(wú)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(wú)人機平穩著(zhù)陸的要求下，四條腿最為合適?！北宕航f(shuō)。

“還有很多工作要做”

前不久，火星無(wú)人機預研項目通過(guò)驗收，預研項目被評價(jià)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(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)火星地表區域巡飛光譜探測奠定技術(shù)基礎?！北宕航硎?，通過(guò)火星地表巡飛光譜探測系統原理樣機研制與環(huán)境模擬測試，研究人員已驗證相關(guān)技術(shù)的可行性。

但是，卞春江也直言，火星無(wú)人機“后續還有很多工作要做”。

“例如，火星無(wú)人機的設計壽命至少要在幾個(gè)月甚至一年以上，需要克服在火星上極低溫度、陣風(fēng)沙塵等復雜環(huán)境應用難題，后續團隊將重點(diǎn)圍繞無(wú)人機在火星地表復雜環(huán)境長(cháng)期生存的問(wèn)題，開(kāi)展相關(guān)技術(shù)攻關(guān)與驗證工作?！?/span>

此外，卞春江表示，火星無(wú)人機的后續研制，需要有低壓、低溫、大尺寸環(huán)境模擬試驗條件，但目前國內還沒(méi)有能夠同時(shí)滿(mǎn)足這些條件的試驗艙。

為了讓研究工作能夠繼續往下推進(jìn)，他們正在想辦法爭取新支持。

“未來(lái)5~6年將是研究的窗口期?！北宕航f(shuō)，“我們希望能夠攻克這些技術(shù)難題，讓無(wú)人機搭載下一次火星探測任務(wù)登上火星?！?/span>

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

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛