做火星车的“导游” 火星无人机怎么飞?

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日期:2021-09-10 10:49:27    来源:《中国科学报》    

火星探测正吸引着全世界的目光。如何更高效地开展火星探测也成为全球共同面临的难题。火星无人机被视为解决问题的方向之一。

近日,记者从中科院国家空间科学中心(以下简称空间中心)了解到,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。

做火星车的“导游”

2016年1月11日,我国火星探测任务正式立项,并计划在2020年左右通过火星卫星、火星着陆器、火星车天地联合探测火星。这个消息让中科院复杂航天系统电子信息技术重点实验室(以下简称实验室)研究员卞春江产生了一个新想法。

他分析,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。“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?”

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,卞春江提出“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”。

“这个无人机本质上是一台带有微型多光谱探测成像系统的巡飞无人机,可充当火星车的领航员,实现火星车科学探测效能的倍增。”卞春江说。

卞春江介绍,按照火星无人机的设计能力,在一次飞行中,它可以完成半径几百米范围的火星地表成像,快速、精确掌握火星车周边地形和地表物相关成分信息。

“通过微型光谱仪,无人机能对火星上的岩石等地表物进行探测,看看有没有可能存在水、碳基有机物、氮化物等代表生命迹象的物质,如果发现高价值的目标,无人机可以引导火星车又快又准地抵达。同时,无人机也能够快速掌握火星车周边地形地貌,帮助火星车避障。”卞春江说,“如此一来,在无人机的引导下,火星车既可以高效完成科学探测任务,还能在行驶中准确避开危险区域。”

骨骼清奇的无人机

在位于空间中心的实验室,记者见到了这架火星无人机原理样机。

与人们平日里看到的有4个螺旋桨的方形无人机不同,火星无人机骨骼清奇。它的“头”上有两根平行的、各1.4米长的螺旋桨,螺旋桨的下面有四条机械“腿”,还有一个等待包装起来的四方形“肚子”,“肚子”里可以安装作为“大脑”的计算机及电池等单元。

卞春江告诉记者,这台无人机搭载了一台微型光谱仪,所有的设备加起来,无人机的总重量为2.1公斤。

在设计性能方面,火星无人机的飞行高度初步定位在5~10米,一次可以飞3分钟,1分钟能飞300米左右,可通过无线充电的方式从火星车获得电力。“飞行高度较低是为了让光谱仪看得清楚并保证飞行安全。一次只能飞3分钟,主要是受机载能源及温控的限制。”卞春江说。

今年4月19日,美国“机智”号无人直升机在火星上实现首飞,采用了与中国火星无人机类似的结构。“这一结构是由火星飞行环境和既有技术路线决定的。”卞春江说。

设计之初,卞春江和团队成员先明确了设计目标——升力强、自重轻、结构紧凑易搭载运输。“火星大气稀薄,相当于地球35公里高的大气环境,因此,无人机必须在稀薄大气下产生足够的升力才能飞起来。由于火星和地球距离遥远,考虑到未来火星车搭载能力,因此必须自重轻、结构紧凑易运输。”卞春江说。

根据这样的目标,他们开始寻找最适合的方案。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特点,火星上不可能建跑道,因此,选择垂直起降的直升机设计方案成为必然。

“垂直起降无人机主要有三种设计方式。一种是单旋翼带尾桨方式,前后共两个旋翼;一种是常见的四旋翼式;还有一种是在一根轴上装两个旋翼、两个旋翼逆向旋转的共轴双旋翼式。”卞春江说。

无人机要想有更强的升力,就要有更大桨盘面积。如果用单旋翼尾桨式无人机,无人机有“尾巴”,在保证同等升力的情况下,桨盘直径大、结构不够紧凑,不利于搭载运输;如果用多旋翼式无人机,无人机的体积势必会很大。而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,团队成员最终选择了共轴双旋翼的技术路线。

关于无人机的“腿”该怎么设计,团队成员也做了诸多尝试。“在重量有限制、要方便折叠,又必须让无人机平稳着陆的要求下,四条腿最为合适。”卞春江说。

“还有很多工作要做”

前不久,火星无人机预研项目通过验收,预研项目被评价为“为我国后续火星探测提供可能手段”。

“预研项目的研究目标是突破火星地表巡飞探测系统的关键技术,为未来火星地表区域巡飞光谱探测奠定技术基础。”卞春江表示,通过火星地表巡飞光谱探测系统原理样机研制与环境模拟测试,研究人员已验证相关技术的可行性。

但是,卞春江也直言,火星无人机“后续还有很多工作要做”。“例如,火星无人机的设计寿命至少要在几个月甚至一年以上,需要克服在火星上极低温度、阵风沙尘等复杂环境应用难题,后续团队将重点围绕无人机在火星地表复杂环境长期生存的问题,开展相关技术攻关与验证工作。”

此外,卞春江表示,火星无人机的后续研制,需要有低压、低温、大尺寸环境模拟试验条件,但目前国内还没有能够同时满足这些条件的试验舱。为了让研究工作能够继续往下推进,他们正在想办法争取新支持。

“未来5~6年将是研究的窗口期。”卞春江说,“我们希望能够攻克这些技术难题,让无人机搭载下一次火星探测任务登上火星。”记者 倪思洁

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