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?；鹦菬o人機(jī)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(xué)中心（以下簡稱空間中心）了解到，早在2019年，中科院相關(guān)團(tuán)隊(duì)就已針對火星無人機(jī)開展預(yù)先研究，經(jīng)過為期兩年的研制，日前自主設(shè)計(jì)研制的火星無人機(jī)原理樣機(jī)預(yù)研項(xiàng)目已通過驗(yàn)收。

火星無人機(jī)原理樣機(jī)。中科院國家空間科學(xué)中心供圖

做火星車的“導(dǎo)游”

2016年1月11日，我國火星探測任務(wù)正式立項(xiàng)，并計(jì)劃在2020年左右通過火星衛(wèi)星、火星著陸器、火星車天地聯(lián)合探測火星。

這個(gè)消息讓中科院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱實(shí)驗(yàn)室）研究員卞春江產(chǎn)生了一個(gè)新想法。

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

“有沒有可能設(shè)計(jì)一個(gè)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？”

2019年3月，基于實(shí)驗(yàn)室在飛行器、電子通信、人工智能等方面的技術(shù)基礎(chǔ)，卞春江提出“火星無人機(jī)”構(gòu)想并申請了北京市科委的空間科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室培育項(xiàng)目。

同年6月，項(xiàng)目正式立項(xiàng)，名為“火星地表巡飛光譜探測關(guān)鍵技術(shù)研究”。

“這個(gè)無人機(jī)本質(zhì)上是一臺帶有微型多光譜探測成像系統(tǒng)的巡飛無人機(jī)，可充當(dāng)火星車的領(lǐng)航員，實(shí)現(xiàn)火星車科學(xué)探測效能的倍增?！北宕航f。

卞春江介紹，按照火星無人機(jī)的設(shè)計(jì)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(guān)成分信息。

“通過微型光譜儀，無人機(jī)能對火星上的巖石等地表物進(jìn)行探測，看看有沒有可能存在水、碳基有機(jī)物、氮化物等代表生命跡象的物質(zhì)，如果發(fā)現(xiàn)高價(jià)值的目標(biāo)，無人機(jī)可以引導(dǎo)火星車又快又準(zhǔn)地抵達(dá)。同時(shí)，無人機(jī)也能夠快速掌握火星車周邊地形地貌，幫助火星車避障?！?/span>

卞春江說，“如此一來，在無人機(jī)的引導(dǎo)下，火星車既可以高效完成科學(xué)探測任務(wù)，還能在行駛中準(zhǔn)確避開危險(xiǎn)區(qū)域?！?/span>

骨骼清奇的無人機(jī)

在位于空間中心的實(shí)驗(yàn)室，記者見到了這架火星無人機(jī)原理樣機(jī)。

與人們平日里看到的有4個(gè)螺旋槳的方形無人機(jī)不同，火星無人機(jī)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(jī)械“腿”，還有一個(gè)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(jì)算機(jī)及電池等單元。

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

在設(shè)計(jì)性能方面，火星無人機(jī)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(jī)載能源及溫控的限制。”卞春江說。

今年4月19日，美國“機(jī)智”號無人直升機(jī)在火星上實(shí)現(xiàn)首飛，采用了與中國火星無人機(jī)類似的結(jié)構(gòu)。

“這一結(jié)構(gòu)是由火星飛行環(huán)境和既有技術(shù)路線決定的。”卞春江說。

設(shè)計(jì)之初，卞春江和團(tuán)隊(duì)成員先明確了設(shè)計(jì)目標(biāo)——升力強(qiáng)、自重輕、結(jié)構(gòu)緊湊易搭載運(yùn)輸。

“火星大氣稀薄，相當(dāng)于地球35公里高的大氣環(huán)境，因此，無人機(jī)必須在稀薄大氣下產(chǎn)生足夠的升力才能飛起來。由于火星和地球距離遙遠(yuǎn)，考慮到未來火星車搭載能力，因此必須自重輕、結(jié)構(gòu)緊湊易運(yùn)輸。”卞春江說。

根據(jù)這樣的目標(biāo)，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(jī)，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(jī)設(shè)計(jì)方案成為必然。

“垂直起降無人機(jī)主要有三種設(shè)計(jì)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(zhuǎn)的共軸雙旋翼式?！北宕航f。

無人機(jī)要想有更強(qiáng)的升力，就要有更大槳盤面積。

如果用單旋翼尾槳式無人機(jī)，無人機(jī)有“尾巴”，在保證同等升力的情況下，槳盤直徑大、結(jié)構(gòu)不夠緊湊，不利于搭載運(yùn)輸；如果用多旋翼式無人機(jī)，無人機(jī)的體積勢必會很大。

而共軸雙旋翼無人機(jī)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(tuán)隊(duì)成員最終選擇了共軸雙旋翼的技術(shù)路線。

關(guān)于無人機(jī)的“腿”該怎么設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)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(jī)平穩(wěn)著陸的要求下，四條腿最為合適?！北宕航f。

“還有很多工作要做”

前不久，火星無人機(jī)預(yù)研項(xiàng)目通過驗(yàn)收，預(yù)研項(xiàng)目被評價(jià)為“為我國后續(xù)火星探測提供可能手段”。

“預(yù)研項(xiàng)目的研究目標(biāo)是突破火星地表巡飛探測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為未來火星地表區(qū)域巡飛光譜探測奠定技術(shù)基礎(chǔ)?！北宕航硎?，通過火星地表巡飛光譜探測系統(tǒng)原理樣機(jī)研制與環(huán)境模擬測試，研究人員已驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)的可行性。

但是，卞春江也直言，火星無人機(jī)“后續(xù)還有很多工作要做”。

“例如，火星無人機(jī)的設(shè)計(jì)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(fù)雜環(huán)境應(yīng)用難題，后續(xù)團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)圍繞無人機(jī)在火星地表復(fù)雜環(huán)境長期生存的問題，開展相關(guān)技術(shù)攻關(guān)與驗(yàn)證工作。”

此外，卞春江表示，火星無人機(jī)的后續(xù)研制，需要有低壓、低溫、大尺寸環(huán)境模擬試驗(yàn)條件，但目前國內(nèi)還沒有能夠同時(shí)滿足這些條件的試驗(yàn)艙。

為了讓研究工作能夠繼續(xù)往下推進(jìn)，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?！北宕航f，“我們希望能夠攻克這些技術(shù)難題，讓無人機(jī)搭載下一次火星探測任務(wù)登上火星。”

《中國科學(xué)報(bào)》 (2021-09-10 第4版 綜合 原標(biāo)題為《火星無人機(jī)怎么飛？》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛