天問三號將無人機火星取樣！四旋翼設計，與NASA機智號有何不同？

中國的天問3號火星采樣返回任務，預計將在2028年前后發射、2030年前后將樣品送回地球。該任務將采用三種方式進行采樣，除了直接用機械臂鏟取火星表層土壤，還有深度鉆孔取樣，這兩項均由著陸器執行。至于第三種采用方式，則由火星無人機進行，也就是說我國的天問3號任務將搭載火星無人機。

天問三號將要搭載的無人機，它的核心任務不是在著陸器周圍飛來飛去，進行巡視探測，而是充當“采樣工”，飛抵目標后直接進行樣本抓取?；鹦侵懫鲿谥憛^產生羽流污染，有了火星無人機，可以彌補著陸器固定采樣的短板，不僅能實現零污染采樣，還幾乎可以在天問3號著陸器周邊百余米范圍內實現任意地點采樣。這可比火星車更加自由，因為火星車雖然也能夠移動，但受地勢地形限制，仍然存在許多難以抵達的區域。

火星大氣約95%是二氧化碳，低空大氣密度僅為地球的約1%，這大概相當于地球數萬米高空的大氣環境，因此升力效率極低。

在這樣的稀薄大氣環境下，無人機能夠飛起來嗎？這一點不用擔心，美國宇航局的“機智號”火星無人機已經為我們測試過了，證明通過特殊設計的無人機在火星上是可以實現飛行起降的。

美國的機智號無人機隨毅力號核動力火星車于2020年7月發射升空，2021年2月降落在火星耶澤羅隕石坑，并在2021年4月實現了火星表面的首次飛行，創造了人類旋翼飛行器在火星表面的首次飛行記錄。最終因旋翼葉片嚴重受損，于2024年1月停止飛行。該無人機原計劃僅工作30個火星日、進行5次飛行，但實際超期服役近三年、完成72次飛行、累計飛行超兩小時、累計飛行里程達17公里，表現非常優秀。

機智號火星無人機，整機大量使用超輕、超強的碳纖維復合材料，在火星上的重量僅680克（地球上1.8千克）。由于具有試驗性質，因此結構設計的較為簡單，功能也比較單一。其采用雙槳葉共軸反槳雙旋翼設計，兩副旋翼上下對轉抵消扭矩，旋翼直徑約1.2米，轉速約每分鐘2400~3000轉，火星上最大飛行高度24米、最高時速36公里。

毅力號是美國火星采樣返回任務的一部分，不過與我國不同，其采樣任務完全由毅力號火星車進行，附帶的機智號沒有采樣功能，僅負責為火星車拍照探路。

從已曝光的相關專利、論文等信息來看，天問三號無人機應該采用的是雙槳葉四旋翼、可調槳距設計，四條旋翼支臂與著陸腿一體化集成。與機智號相比，四旋翼和可調槳距設計，能在起飛、巡航、取樣、降落不同階段，提供更靈活的升力和姿態調整能力，能帶來更優的懸停穩定性與抗風能力，讓飛行效率更高、作業更精準。至于采樣裝置，其應該采用的是單電機欠驅動的多級連桿搖臂式繩驅鉤爪方案，集成在無人機機腹，采樣后可直接將樣本送入著陸器的樣本容器中。

與機智號一樣，天問3號無人機也是由安裝在頂部的太陽能電池進行驅動。機智號每個火星日僅能飛1次、最長約90秒，天問3號無人機若是搭載容量更大、更高效的太陽能電池，單次續航時間可能會比機智號更長。

盡管火星旋翼飛行的歷史由機智號開創，但無人機可是我國的強項，天問三號將首次用無人機在火星進行采樣，這將把火星無人機從“能飛”推向“能用”，為人類未來開拓火星奠定更加扎實的技術基礎。

并且，我國有望成為全球首個實現火星采樣返回的國家！盡管毅力號已采集了數十管火星樣本，這些樣本被散落在火星表面，等待未來被取回地球，但美國火星采樣返回因任務周期長、過于復雜，導致項目預算嚴重超支，已實質性破產。而中國火星采樣目標明確，只要求樣本質量大于500克，核心任務就是快速采樣返回，任務架構比較簡潔，更務實、更易實施。