天问三号将无人机火星取样！四旋翼设计，与NASA机智号有何不同？

中国的天问3号火星采样返回任务，预计将在2028年前后发射、2030年前后将样品送回地球。该任务将采用三种方式进行采样，除了直接用机械臂铲取火星表层土壤，还有深度钻孔取样，这两项均由着陆器执行。至于第三种采用方式，则由火星无人机进行，也就是说我国的天问3号任务将搭载火星无人机。

天问三号将要搭载的无人机，它的核心任务不是在着陆器周围飞来飞去，进行巡视探测，而是充当“采样工”，飞抵目标后直接进行样本抓取。火星着陆器会在着陆区产生羽流污染，有了火星无人机，可以弥补着陆器固定采样的短板，不仅能实现零污染采样，还几乎可以在天问3号着陆器周边百余米范围内实现任意地点采样。这可比火星车更加自由，因为火星车虽然也能够移动，但受地势地形限制，仍然存在许多难以抵达的区域。

火星大气约95%是二氧化碳，低空大气密度仅为地球的约1%，这大概相当于地球数万米高空的大气环境，因此升力效率极低。

在这样的稀薄大气环境下，无人机能够飞起来吗？这一点不用担心，美国宇航局的“机智号”火星无人机已经为我们测试过了，证明通过特殊设计的无人机在火星上是可以实现飞行起降的。

美国的机智号无人机随毅力号核动力火星车于2020年7月发射升空，2021年2月降落在火星耶泽罗陨石坑，并在2021年4月实现了火星表面的首次飞行，创造了人类旋翼飞行器在火星表面的首次飞行记录。最终因旋翼叶片严重受损，于2024年1月停止飞行。该无人机原计划仅工作30个火星日、进行5次飞行，但实际超期服役近三年、完成72次飞行、累计飞行超两小时、累计飞行里程达17公里，表现非常优秀。

机智号火星无人机，整机大量使用超轻、超强的碳纤维复合材料，在火星上的重量仅680克（地球上1.8千克）。由于具有试验性质，因此结构设计的较为简单，功能也比较单一。其采用双桨叶共轴反桨双旋翼设计，两副旋翼上下对转抵消扭矩，旋翼直径约1.2米，转速约每分钟2400~3000转，火星上最大飞行高度24米、最高时速36公里。

毅力号是美国火星采样返回任务的一部分，不过与我国不同，其采样任务完全由毅力号火星车进行，附带的机智号没有采样功能，仅负责为火星车拍照探路。

从已曝光的相关专利、论文等信息来看，天问三号无人机应该采用的是双桨叶四旋翼、可调桨距设计，四条旋翼支臂与着陆腿一体化集成。与机智号相比，四旋翼和可调桨距设计，能在起飞、巡航、取样、降落不同阶段，提供更灵活的升力和姿态调整能力，能带来更优的悬停稳定性与抗风能力，让飞行效率更高、作业更精准。至于采样装置，其应该采用的是单电机欠驱动的多级连杆摇臂式绳驱钩爪方案，集成在无人机机腹，采样后可直接将样本送入着陆器的样本容器中。

与机智号一样，天问3号无人机也是由安装在顶部的太阳能电池进行驱动。机智号每个火星日仅能飞1次、最长约90秒，天问3号无人机若是搭载容量更大、更高效的太阳能电池，单次续航时间可能会比机智号更长。

尽管火星旋翼飞行的历史由机智号开创，但无人机可是我国的强项，天问三号将首次用无人机在火星进行采样，这将把火星无人机从“能飞”推向“能用”，为人类未来开拓火星奠定更加扎实的技术基础。

并且，我国有望成为全球首个实现火星采样返回的国家！尽管毅力号已采集了数十管火星样本，这些样本被散落在火星表面，等待未来被取回地球，但美国火星采样返回因任务周期长、过于复杂，导致项目预算严重超支，已实质性破产。而中国火星采样目标明确，只要求样本质量大于500克，核心任务就是快速采样返回，任务架构比较简洁，更务实、更易实施。