火星的大气也能飞直升机？揭秘NASA共轴双旋翼火星直升机侦察兵

火星直升机侦察兵（MHS；Mars Helicopter Scout）是一种主要由美国国家航空宇航局NASA喷气推进实验室领导研制中的“机器人”直升机，其设计的目的在于测试和验证针对科学家感兴趣的火星目标进行侦察的相应技术，此外，火星直升机侦察兵还需要承担“为下一代火星探测器规划最佳行驶路线”这一重要任务。

从本质上来说，火星直升机侦察兵是一种小型无人直升机，按照美国现在的火星战略，MHS是属于“火星2020探测器”（Mars 2020 Rover）计划的一部分，按照对应的计划，该机在2019年就会部署到火星上。在计划的早期阶段，预计在为期30天的测试期间，作为一种技术演示验证飞行器，它将飞行5次。每次飞行时间不会超过3分钟，离地高度在3米到10米之间，但是每次飞行的最大距离会在600米左右。该机是全程自主飞行的，在每次着陆之后就会自动与“火星2020”探测器进行通行。

△图示为美国的“火星2020”地面探测器

如果火星直升机侦察兵的表现全都如预期一样工作，那么NASA就能在该机的基础上针对未来美国的火星战略任务进行更为具体的设计。整个火星直升机侦察兵项目的负责人是NASA的“MIMI Aung”（米米昂？抱歉这个名字我实在难以准确翻译），在Aung的主导之下，该项目的主力团队由AeroVironment公司、NASA埃姆斯研究中心和NASA兰利研究中心共同组成。

从自筹经费到获得支持——火星直升机的发展简史和目标

NASA的喷气推进实验室和加州理工学院一直都在探索研制一种能够伴随着火星2020探测器一同作业，执行空中侦察任务的机器人的可能性，并在2014年的时候首次公开这种空中机器人（无人直升机）的概念设计。到了2016年年中，探索项目团队要求拨款1500万美元，以此来确保这种直升机的研制工作正常进行。到了2017年年底，这种“前所未有”的无人直升机的工程模型已经在模拟的火星大气层环境中刚进行了测试，对应的其他试验模型也被部署到北极地区进行更广泛的测试，不过至此，美国政府还没有公开将这种火星直升机纳入火星探测项目，同样也没有正式公开为其拨款。

△火星直升机设计团队的主力科学家与火星直升机侦察兵的合影

2018年3月份，转机来了，美国联邦政府预算为该火星直升机项目拨付了2300万美元的资金，并在同年5月份宣布开发该型直升机并进行相应的测试工作，并将其正式纳入到“火星2020探测器”项目任务中。

目前，火星直升机侦察员已经经过了广泛的飞行动力学和火星环境适应性测试，并在2019年8月份进行了安装在火星探测器底部的测试工作。该机的重量不到1.8公斤，按照目前的设计，最多可以飞5次。

△工作人员将火星直升机安装到“火星2020”探测器底部

火星直升机侦察员可以说是NASA喷气推进实验室设计的一种演示验证飞行器，它存在的主要目的是评估这项技术是否能够真的在火星大气环境中实现安全、可靠的飞行，并能够提供更好的火星表面测绘工作以及引导地面火星探测器的前进路线，从而为美国未来的火星探测任务控制人员提供更多的信息，帮助他们规划探测路线和规避危险，以及确定真正值得探测器“关注”的地方。火星直升机将能够提供比轨道图像拍摄图像的分辨率大概高出10倍的俯视图像，并将会显示可能被探测器相机遮挡的一些火星环境特征。按照美国科学家的预估，配备了火星直升机侦察员之后，地面活动的火星探测器将更安全地以三倍的速度向前行驶。

火星直升机侦察兵飞行器的探索工作为美国地外星球飞行器的研制工作奠定了基础，为其在将来开发更强大的直升机以便在火星或者其他目标行星的大气层中飞行开拓了道路。

超常规的共轴双旋翼——火星直升机的设计

该型直升机采用了反转的共轴旋翼，其直径大概在1.1米上下，其主要任务载荷就是一套高分辨率的下视摄像机和一套通信系统，摄像机可用于导航、着陆引导和地形科学测量，通信系统则主要用于向火星2020探测器传递数据。尽管火星直升机侦察兵本质上算是一种航空飞行器，但是为了在发射过程中承受重力的变化和较高的振动水平，该机完全是按照航天器的标准制造的，此外，该机还继承了能够在火星寒冷环境中工作的防辐射系统。

△工作人员正在调试这架火星直升机

由于火星磁场不稳定，无法使用指南针进行导航，所以火星直升机侦察兵将继承NASA喷气推进实验室出品的视觉惯性导航系统，然后通过摄像头跟踪太阳位置来实现导航。除此之外，该机还有一些传感器输入设备，包括陀螺仪、视觉里程计、倾斜传感器、高度计和危害探测器。它将会使用太阳能电池板为电池充电，从目前已有的信息来看，这些电池会是6个标识容量2Ah的索尼产锂离子电池。

△在试验风洞中首次起飞的火星直升机模型

目前的火星直升机侦察兵采用了骁龙处理器和基于Linux的操作系统，其中继承了通过特征跟踪估算速度来实现视觉导航的模块。中央处理器连接到两个飞行控制系统微处理器单元，以此来执行火星探测任务所需要的飞行控制功能。该机与火星2020探测器的通信则是通过称为Zig-Bee的无线电通信线路进行的，这是一种标准的900兆赫的芯片组，安装在探测器和直升机上。这套通信系统的设计标准是以每秒钟250千比特的速度传送数据，其传送距离可以高达1000米。

△火星直升机侦察兵和火星2020探测器协同工作的艺术概念图

火星直升机侦察兵将附着在火星2020探测器的底部前往火星，并在着陆后60到90个火星日之间部署到火星地表，随后，等到探测器离开该机100米距离之后，火星直升机侦察兵的飞行测试工作将会启动。

初步研制已完成——NASA火星直升机的最新进展

按照NASA目前发表的最新研究文献来说，他们近期最关注的要点就是火星直升机悬停飞行力学的建模和识别研究。随着“火星2020探测器”项目的推进，NASA对于该型直升机的研制要求也越来越迫切。对于一架直升机来说，由于火星独特的极端稀薄大气条件，要想在这种条件下飞行是相当困难的，有的读者可能会说，虽然火星表面大气很稀薄，但是火星不是重力小吗？确实，火星的地心引力比较小，但是这种引力减小的幅度远比不上大气稀薄带来的负面效果，这也是火星直升机必须面对的关键问题。

△实验中，被挂载在悬臂上的火星直升机

NASA在近期的研究就特别关注在这种极端大气条件下飞行的火星直升机的飞行动力学和操纵性问题，尤其是那些与地球差异较大的典型的动力学问题领域。NASA的科学家们针对相应的问题建立了数学模型进行了仿真，并且依据2016时候在拟真环境下进行的测试型火星直升机的实验工作进行了相关方法的模型验证和系统辨识。

△火星直升机三维模型和参考坐标系示意图

和本研究相关的数学建模方法和具体测试技术我就不详细展开说了，这里主要介绍一下NASA科学家的研究结论：

火星直升机和地球上典型的直升机在多个方面都存在着会影响到飞行力学的巨大差异，其中包括

①旋翼与机身之间的距离可算是天差地别，而且全机的重量和旋翼的惯性量也存在着极大差异；

②由于缺乏气动阻尼，引入了通过加强旋翼从而将旋翼-机身模式提升到更高频率的方法；

③同样是和缺乏气动阻尼相关的，周期输入和旋翼响应之间的滞后相位角也降低了，这就改变了周期变距输入的响应，对平飞和入流梯度都产生了影响；

④由于是工作在低重力环境下，所以旋转-平移之间的动力力学耦合关系也发生了变化。

由于缺乏相似系统下的相应的研究工作，而且在地球表面模拟火星的环境也并不简单，所以上述种种差异对于控制闭环来说都是巨大的挑战。尽管如此，在研究人员的不懈努力之下，火星直升机的系统识别工作和自由飞行演示验证工作的顺利完成，在火星大气中控制这样一家直升机的可行性也得到了验证，这就为该型直升机最终参与到火星2020任务中奠定了基础。

△在风洞测试中的火星直升机

在这部分研究的基础之上，NASA科学家的下一步工作将是打造一架更大型的火星直升机工程发展模型，然后在专门打造的火星环境风洞中进行相应的飞行测试，其中包括前飞等多种飞行状态，而不仅仅只是停留在悬停状态下的测试之中。在目前这个时间节点，火星直升机侦察兵的飞行模型（也就是今年会被部署到火星上的）已经经过了全面的测试工作，并将会被集成到“火星2020探测器”上。

还需要再次强调的就是，这架火星直升机侦察兵无人机本身仅仅是一架技术演示验证机器，其目的是为美国打造更强大的外星球飞行器而奠定基础。那些更强大的“未来直升机”将会被部署到地外行星和有大气层的卫星上执行“更具有野心”的种种任务。

△火星直升机演示验证模型

按照美国科学家的估计，下一代“火星旋翼机”总重可能在5到15公斤之间，有效的科学设备载荷能够在0.5到1.5公斤之间。这些未来飞行器可以直接与轨道飞行器通信，并且也有希望独立于地面探测器而执行自身的任务。这些未来的直升机还可以被用来探索裸露的永久冻土或冰冻圈等特殊地区，科学家们始终相信那里极有可能会有微生物生存下来。

火星直升机也被考虑在未来用于快速抓取火星上的小规模样品，然后通过火星样品提升器之类的运载工具来运返地球。