火星直升機偵察兵（MHS；Mars Helicopter Scout）是一種主要由美國國家航空宇航局NASA噴氣推進實驗室領導研製中的“機器人”直升機，其設計的目的在於測試和驗證針對科學家感興趣的火星目標進行偵察的相應技術，此外，火星直升機偵察兵還需要承擔“為下一代火星探測器規劃最佳行駛路線”這一重要任務。

從本質上來說，火星直升機偵察兵是一種小型無人直升機，按照美國現在的火星戰略，MHS是屬於“火星2020探測器”（Mars 2020 Rover）計劃的一部分，按照對應的計劃，該機在2019年就會部署到火星上。在計劃的早期階段，預計在為期30天的測試期間，作為一種技術演示驗證飛行器，它將飛行5次。每次飛行時間不會超過3分鐘，離地高度在3米到10米之間，但是每次飛行的最大距離會在600米左右。該機是全程自主飛行的，在每次著陸之後就會自動與“火星2020”探測器進行通行。

△圖示為美國的“火星2020”地面探測器

如果火星直升機偵察兵的表現全都如預期一樣工作，那麼NASA就能在該機的基礎上針對未來美國的火星戰略任務進行更為具體的設計。整個火星直升機偵察兵專案的負責人是NASA的“MIMI Aung”（米米昂？抱歉這個名字我實在難以準確翻譯），在Aung的主導之下，該專案的主力團隊由AeroVironment公司、NASA埃姆斯研究中心和NASA蘭利研究中心共同組成。

從自籌經費到獲得支援——火星直升機的發展簡史和目標

NASA的噴氣推進實驗室和加州理工學院一直都在探索研製一種能夠伴隨著火星2020探測器一同作業，執行空中偵察任務的機器人的可能性，並在2014年的時候首次公開這種空中機器人（無人直升機）的概念設計。到了2016年年中，探索專案團隊要求撥款1500萬美元，以此來確保這種直升機的研製工作正常進行。到了2017年年底，這種“前所未有”的無人直升機的工程模型已經在模擬的火星大氣層環境中剛進行了測試，對應的其他試驗模型也被部署到北極地區進行更廣泛的測試，不過至此，美國政府還沒有公開將這種火星直升機納入火星探測專案，同樣也沒有正式公開為其撥款。

△火星直升機設計團隊的主力科學家與火星直升機偵察兵的合影

2018年3月份，轉機來了，美國聯邦政府預算為該火星直升機專案撥付了2300萬美元的資金，並在同年5月份宣佈開發該型直升機並進行相應的測試工作，並將其正式納入到“火星2020探測器”專案任務中。

目前，火星直升機偵察員已經經過了廣泛的飛行動力學和火星環境適應性測試，並在2019年8月份進行了安裝在火星探測器底部的測試工作。該機的重量不到1.8公斤，按照目前的設計，最多可以飛5次。

△工作人員將火星直升機安裝到“火星2020”探測器底部

火星直升機偵察員可以說是NASA噴氣推進實驗室設計的一種演示驗證飛行器，它存在的主要目的是評估這項技術是否能夠真的在火星大氣環境中實現安全、可靠的飛行，並能夠提供更好的火星表面測繪工作以及引導地面火星探測器的前進路線，從而為美國未來的火星探測任務控制人員提供更多的資訊，幫助他們規劃探測路線和規避危險，以及確定真正值得探測器“關注”的地方。火星直升機將能夠提供比軌道影象拍攝影象的解析度大概高出10倍的俯檢視像，並將會顯示可能被探測器相機遮擋的一些火星環境特徵。按照美國科學家的預估，配備了火星直升機偵察員之後，地面活動的火星探測器將更安全地以三倍的速度向前行駛。

火星直升機偵察兵飛行器的探索工作為美國地外星球飛行器的研製工作奠定了基礎，為其在將來開發更強大的直升機以便在火星或者其他目標行星的大氣層中飛行開拓了道路。

超常規的共軸雙旋翼——火星直升機的設計

該型直升機採用了反轉的共軸旋翼，其直徑大概在1.1米上下，其主要任務載荷就是一套高解析度的下視攝像機和一套通訊系統，攝像機可用於導航、著陸引導和地形科學測量，通訊系統則主要用於向火星2020探測器傳遞資料。儘管火星直升機偵察兵本質上算是一種航空飛行器，但是為了在發射過程中承受重力的變化和較高的振動水平，該機完全是按照航天器的標準制造的，此外，該機還繼承了能夠在火星寒冷環境中工作的防輻射系統。

△工作人員正在除錯這架火星直升機

由於火星磁場不穩定，無法使用指南針進行導航，所以火星直升機偵察兵將繼承NASA噴氣推進實驗室出品的視覺慣性導航系統，然後通過攝像頭跟蹤太陽位置來實現導航。除此之外，該機還有一些感測器輸入裝置，包括陀螺儀、視覺里程計、傾斜感測器、高度計和危害探測器。它將會使用太陽能電池板為電池充電，從目前已有的資訊來看，這些電池會是6個標識容量2Ah的索尼產鋰離子電池。

△在試驗風洞中首次起飛的火星直升機模型

目前的火星直升機偵察兵採用了驍龍處理器和基於Linux的作業系統，其中繼承了通過特徵跟蹤估算速度來實現視覺導航的模組。中央處理器連線到兩個飛行控制系統微處理器單元，以此來執行火星探測任務所需要的飛行控制功能。該機與火星2020探測器的通訊則是通過稱為Zig-Bee的無線電通訊線路進行的，這是一種標準的900兆赫的晶片組，安裝在探測器和直升機上。這套通訊系統的設計標準是以每秒鐘250千位元的速度傳送資料，其傳送距離可以高達1000米。

△火星直升機偵察兵和火星2020探測器協同工作的藝術概念圖

火星直升機偵察兵將附著在火星2020探測器的底部前往火星，並在著陸後60到90個火星日之間部署到火星地表，隨後，等到探測器離開該機100米距離之後，火星直升機偵察兵的飛行測試工作將會啟動。

初步研製已完成——NASA火星直升機的最新進展

按照NASA目前發表的最新研究文獻來說，他們近期最關注的要點就是火星直升機懸停飛行力學的建模和識別研究。隨著“火星2020探測器”專案的推進，NASA對於該型直升機的研製要求也越來越迫切。對於一架直升機來說，由於火星獨特的極端稀薄大氣條件，要想在這種條件下飛行是相當困難的，有的讀者可能會說，雖然火星表面大氣很稀薄，但是火星不是重力小嗎？確實，火星的地心引力比較小，但是這種引力減小的幅度遠比不上大氣稀薄帶來的負面效果，這也是火星直升機必須面對的關鍵問題。

△實驗中，被掛載在懸臂上的火星直升機

NASA在近期的研究就特別關注在這種極端大氣條件下飛行的火星直升機的飛行動力學和操縱性問題，尤其是那些與地球差異較大的典型的動力學問題領域。NASA的科學家們針對相應的問題建立了數學模型進行了模擬，並且依據2016時候在擬真環境下進行的測試型火星直升機的實驗工作進行了相關方法的模型驗證和系統辨識。

△火星直升機三維模型和參考座標系示意圖

和本研究相關的數學建模方法和具體測試技術我就不詳細展開說了，這裡主要介紹一下NASA科學家的研究結論：

火星直升機和地球上典型的直升機在多個方面都存在著會影響到飛行力學的巨大差異，其中包括

①旋翼與機身之間的距離可算是天差地別，而且全機的重量和旋翼的慣性量也存在著極大差異；

②由於缺乏氣動阻尼，引入了通過加強旋翼從而將旋翼-機身模式提升到更高頻率的方法；

④由於是工作在低重力環境下，所以旋轉-平移之間的動力力學耦合關係也發生了變化。

由於缺乏相似系統下的相應的研究工作，而且在地球表面模擬火星的環境也並不簡單，所以上述種種差異對於控制閉環來說都是巨大的挑戰。儘管如此，在研究人員的不懈努力之下，火星直升機的系統識別工作和自由飛行演示驗證工作的順利完成，在火星大氣中控制這樣一家直升機的可行性也得到了驗證，這就為該型直升機最終參與到火星2020任務中奠定了基礎。

△在風洞測試中的火星直升機

在這部分研究的基礎之上，NASA科學家的下一步工作將是打造一架更大型的火星直升機工程發展模型，然後在專門打造的火星環境風洞中進行相應的飛行測試，其中包括前飛等多種飛行狀態，而不僅僅只是停留在懸停狀態下的測試之中。在目前這個時間節點，火星直升機偵察兵的飛行模型（也就是今年會被部署到火星上的）已經經過了全面的測試工作，並將會被整合到“火星2020探測器”上。

還需要再次強調的就是，這架火星直升機偵察兵無人機本身僅僅是一架技術演示驗證機器，其目的是為美國打造更強大的外星球飛行器而奠定基礎。那些更強大的“未來直升機”將會被部署到地外行星和有大氣層的衛星上執行“更具有野心”的種種任務。

​△火星直升機演示驗證模型

按照美國科學家的估計，下一代“火星旋翼機”總重可能在5到15公斤之間，有效的科學裝置載荷能夠在0.5到1.5公斤之間。這些未來飛行器可以直接與軌道飛行器通訊，並且也有希望獨立於地面探測器而執行自身的任務。這些未來的直升機還可以被用來探索裸露的永久凍土或冰凍圈等特殊地區，科學家們始終相信那裡極有可能會有微生物生存下來。

火星直升機也被考慮在未來用於快速抓取火星上的小規模樣品，然後通過火星樣品提升器之類的運載工具來運返地球。