2021年4月19日，“机智号”无人机成功在火星完成首次飞行，成为人类首架在其他行星上实现可控飞行的飞行器。截至目前，“机智号”已经完成了7次飞行。

为什么需要研发火星无人机？作为一种新型的火星探测设备，火星无人机可以克服火星车和轨道探测器的一些局限，为探索和开发火星提供重要的技术支持。火星无人机相比火星车具有更高的飞行速度，从而大大提高了探测效率。此外，它还能应对复杂的火星地形，探测到火星车无法到达的区域，如陨石坑、古老高地等。火星无人机还拥有广阔的高空视野，可以扩展探测范围，并帮助火星车选择行进路线，避免陷入沙坑。此外，火星无人机可以悬停，完成对特殊环境的取样，还能进行磁场和大气成分的科学测量。因此，火星无人机作为合作探测平台，可以完成火星车无法完成的任务。

火星降落面临哪些挑战？火星的极端环境给火星无人机的技术研究带来了巨大挑战。火星的大气密度只有地球的1/70，这种低雷诺数飞行条件会导致黏性效应和流场分离现象，对无人机的气动特性产生重大影响。火星表面的环形山非常陡峭，要求无人机具备合适的飞行高度。此外，火星上的风速变化极大，从2-7米/秒到50米/秒不等，这对无人机的快速姿态调整提出了很高的要求。火星昼夜和四季的地表温度变化显著，冬季平均温度低至-120℃。这种低温环境使得火星上的声速只有地球的72%，导致无人机的桨叶边缘处于高马赫数状态，容易产生空气压缩效应和激波振荡。火星表面多坑地貌，存在大量的环形壁垒、高山和峡谷，这要求火星无人机能够在复杂多变的地表完成起降。

美国火星无人机的研发历程可以追溯到2001年，当时美国埃姆斯研究中心论证了利用旋翼无人机垂直起降特性探测火星表面的技术可行性。2002年，埃姆斯研究中心基于四桨叶独立转子，研制了TAMS系列共轴旋翼式无人机。2000年，马里兰大学开展了共轴反桨双旋翼火星无人机的研究，并在2001年研制了MICRO无人机，采用悬停方式对环境进行探测，悬停时间为20-30分钟。2003年，马里兰大学研制了一种质量约为50公斤的大型火星无人机MARV，有效载荷为10.8公斤，可以在25公里范围内飞行39分钟，并能悬停1分钟。之后，马里兰大学基于埃姆斯研究中心的转子悬停实验，研制了质量为200克的共轴旋翼式火星无人机Microrotorcraft，该无人机可以在模拟的火星环境中飞行12-13分钟。2008年，萨里大学将旋翼无人机的垂直起降特性和火星探测任务相结合，规划了利用火星无人机协助火星车完成火星表面多点采样的方案。2012年，萨里大学研制了一种倾斜旋翼式无人机Eye-On，质量为15公斤，旋翼翼展达1.4米，可以在100公里范围内巡航飞行38分钟。2016年，萨里大学研制了新一代倾斜旋翼式无人机Y4TR，采用非线性系统SDRE控制，实现了无人机的自主巡航。

“机智号”火星无人机的开发始于2004年，美国喷气推进实验室对比了各种火星无人机的飞行原理和结构，将其列为火星无人机研究的重点方向。2015年，JPL发布了火星无人机原型JPL-2015，这是一种小型共轴旋翼式火星无人机，质量约为1公斤，翼展大小为1.1米，采用太阳能供电，搭载高分辨率测量相机探测地形，并将数据中继到火星车的通信系统。2020年7月，NASA研制的火星无人机作为“毅力号”火星车的载荷前往火星。“机智号”无人机的基础构型正是JPL-2015火星无人机，重量不到1.8公斤，是一个小型自动旋翼飞行器，机身尺寸约9厘米，搭载太阳能电池和锂离子电池，两个反向旋转的叶片可以以近3000转/分钟的速度咬入火星稀薄大气，这一转速约是地球直升机转速的10倍。2021年4月19日，“机智号”无人机在火星杰泽罗陨石坑首次飞行，最高高度达10英尺，保持稳定回旋30秒，之后开始下降并在火星表面着陆，飞行共历时39.1秒。这是首架在其他星球上完成动力飞行的旋翼飞机。

“蜻蜓”无人机由NASA在2019年宣布将发射，旨在对土卫六（泰坦）进行全面探测。“蜻蜓”无人机的设计基于300公斤重的“四角八度飞行器”，自身也是一个着陆探测器，体长约3米，四角各有一对共轴螺旋桨，构成一架四轴旋翼机。“蜻蜓”使用30公斤放射性同位素电池供电，可支持以10米/秒的速度飞行2小时，电池工作寿命内飞行总里程可达60公里，单次飞行最远可达8公里。除了长距离飞行外，“蜻蜓”还可以通过“降高”地面几米来重新定位传感器，实现近距离精确移动。

中国在火星无人机研究领域起步较晚，但已取得一定进展。南京航空航天大学的姚克明教授对未来的火星无人机探测进行了任务规划与建模分析，建立了火星无人机控制的非线性模型。哈尔滨工业大学已经开始设计一种适应火星稀薄大气环境的旋翼飞行器。目前，中国在火星无人机原理样机的研制与实验方面仍处于空白状态，未来还需要持续投入研究。