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泽南、小舟报道

下一次火星任务,中国要放飞自己的无人机

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」。

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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。

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。

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图源:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/9/464773.shtm

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。

「接下来的五到六年会是研究窗口,」卞春江说道。「我们希望克服这些技术问题,让下一次火星探索任务能够在火星上起飞无人机。」

何时才能看到中国的火星无人机呢?我们目前还没有确切的消息。中国的第一辆火星车,「天问一号」火星探测器搭载的「祝融号」于今年 5 月成功登陆火星,一趟任务完成了绕落巡三大目标。与之前的月球任务不同,火星探测没有备用的登陆器。我国的下一次行星际任务预计将在 2028-2030 年左右进行,那会是一次复杂且史无前例的火星样本收集返回任务,而在这之前将有一次从小行星上获取采样的「预演」。

今年 4 月 19 日,美国宇航局 NASA 宣布毅力号携带的火星无人机「机智号」成功完成了火星上的首次飞行,并完成 3 米高度悬停 30 秒的高难度动作。

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NASA 的无人机「机智号」。

在 1903 年莱特兄弟的飞行器首飞六年之后,广东出生的冯如成功驾驶自己的双翼飞机完成了试飞。同样,在未来几年里,中国将寻求在另一个星球上实现自己的首次动力飞行。

参考链接:
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
工程火星无人机
相关数据
人工智能技术

在学术研究领域,人工智能通常指能够感知周围环境并采取行动以实现最优的可能结果的智能体(intelligent agent)

无人机技术

无人机(Uncrewed vehicle、Unmanned vehicle、Drone)或称无人载具是一种无搭载人员的载具。通常使用遥控、导引或自动驾驶来控制。可在科学研究、军事、休闲娱乐用途上使用。

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