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未来风格的地外飞行器:核动力蜻蜓旋翼机和蒸汽朋克型漫游车

 

 北京时间2月17日消息,据国外媒体报道,如果你能在火星上空操控无人机,那么将比火星表面行驶的火星车能更快速、更广泛地执行勘测任务,但设计一架火星无人机存在着巨大挑战。

  2021年4月19日,一架名为“机智号(Ingenuity)”的小型实验直升机从火星表面升起,这架自主飞行器的转子在稀薄的火星大气中快速旋转,从而产生足够升力,使它飞行达到5米高度,在空中盘旋之后安全着陆,实现了人类在另一颗星球上首次操控飞行器。

像“机智号”直升机(图右)提供了一种不同于“好奇号”火星车(图左)不同的运行方法,来绘制外星世界地图。  像“机智号”直升机(图右)提供了一种不同于“好奇号”火星车(图左)不同的运行方法,来绘制外星世界地图。

  预计到本世纪30年代,一架小型汽车大小的旋翼飞机——“蜻蜓号”,将着陆在土星最大卫星——土卫六,并开始人类对土卫六的首次探索任务,仅需1个小时,“蜻蜓号”的飞行范围就超越登陆地外星球任何表面探测车的行驶距离。这架类似无人机的多转子飞行器将飞越土卫六表面,在飞行抵达下一个目的地之前,将在土卫六表面着陆一天时间(相当于16个地球日)进行相关实验。

  但对于地外人造飞行器而言,最大的挑战是极其炎热的金星,或许也存在着巨大的机遇。金星拥有极高温度、压力和酸性大气层,但没有任何着陆器能够在破裂的板岩状金星表面停留超过127分钟。

像“蜻蜓号”这样的旋翼飞机可以由小型核反应堆提供动力。像“蜻蜓号”这样的旋翼飞机可以由小型核反应堆提供动力。

  这些困难并未阻止科学家,目前他们计划向金星发射两架飞行器,一架是太阳能动力滑翔机,能够在金星较温和的上层大气无限期地飞行;另一架是类似飞行翼设计的飞行器,可以在接近金星表面的恶劣环境中飞行。

  美国加州行星科学研究所高级科学家埃尔达·诺·多布雷亚(Eldar Noe Dobrea)博士说:“开发设计能着陆金星表面的飞行器技术难度很大,唯一的选择就是在大气层中飞行。”

“蜻蜓号”旋翼飞机能在土卫六自动绘制地图。“蜻蜓号”旋翼飞机能在土卫六自动绘制地图。

  特迪·扎内托斯(Teddy Tzanetos)是航空飞行小组的机器人技术专家,也是“机智号”火星直升机研究小组负责人,他正在研究新一代火星直升机设计。他说:“我们知道莱特兄弟设计的飞机完成首次飞行为人类所做的贡献,我认为在其他行星遵循类似的设计模式将具有重大意义。”

  约翰·霍普金斯应用物理实验室首席研究员伊丽莎白·兹比·特特尔说:“我从未想过这样的类比,但‘蜻蜓号’是‘机智号’首次飞行后的下一个版本,未来它会成为首个将全部科研有效载荷实现空中运输的飞行器。”

  像早期极地飞行器一样,美国宇航局工程师们意识到飞行器将对探索地外星球带来革命性变化,例如:类似“海盗号”和“好奇”号火星登陆车、“卡西尼号”轨道探测器这样的标志性探测器,它们对探索宜居星球大气层具有积极贡献,但未来的飞行器也可能有其他的选择,机器人、可操控飞艇、直升机、无人机,甚至充气螺旋桨飞机等,它们可以快速收集有关行星表面大片区域的大量数据,避免危险地形,收集从探测车或者轨道上无法获得的近距离图像,并从不同的角度观察任务目标。

  像这样的飞行器也可以对探测车无法抵达的区域进行勘测,例如:山脉、山峰,甚至是生命无法存活的金星表面。

  美国宇航局工程师面临的问题是,每颗星球的环境对飞机的类型、载荷和飞行能力都具有不同程度的制约,此外,工程师能使用的技术也存在类似的限制。

  “火星大气厚度不及地球大气1%,这使得飞机很难在火星表面产生升力。”

  土星5号火箭设计者沃纳·冯·布劳恩(Wernher von Braun)设想利用超音速滑翔机登陆火星,科幻小说作家菲利普·K·迪克(Philip K 。 Dick)曾想象人类殖民者乘坐直升机登上火星。上世纪70年代“海盗号”探测器登陆火星之后,美国宇航局工程师开始研究火星飞行器概念,现今美国军方使用的“捕食者”无人机也具有火星无人机的飞行能力。

  火星大气密度不及地球大气密度1%,这使得飞行器很难在火星表面产生升力,意味着火星直升机必须非常轻,才能保持升空飞行,但它仍需要具备飞行器的相关功能,例如:锂离子电池、传感器和摄像机,以及加热和绝缘材料,从而保证它能在火星寒冷的夜晚正常运行。扎内托斯说:“如果你想解决所有这些挑战,且建造重量少于1.8公斤的飞机,那么你就拥有了自己的‘机智号’。”

  他说:“我们的首席工程师和研究团队成员在20世纪90年代就开始研究火星直升机概念,但当时的技术还不成熟,直到十年前,关于火星直升机的技术演示初见雏形。”

  同时,该研究小组还研究了固定机翼飞行器,但在火星使用旋翼机更有意义,因为火星表面没有机场。美国宇航局拥有9个不同的技术准备等级(TRL),从“已被观察和报告的基本原理”的TRL1,到“通过任务操作的飞行验证”的TRL9。

  上世纪90年代,为“机智号”火星直升机提供动力的电池才刚研发出来,很少有人意识到碳纤维等新型材料的应用潜力,同时,该飞行器实现飞行的传感器、轻量级飞行器的计算能力和相应算法并不成熟,人类建造该飞行器的技术和技能也不完善。

  特迪·扎内托斯说:“我们的主要目标是证实飞行器能在火星上飞行,火星直升机现已完成19次火星飞行!”

  20多年过去了,现今的技术已日臻完善,现今地球上无人机可以运送包裹和疫苗,并用于观察农作物生长和考古遗址探索,这确实是所有先进技术在正确的时间汇集在一起,使“机智号”火星直升机设计成为可能。

  目前“机智号”火星直升机已通过了测试飞行,并实现了火星表面飞行,扎内托斯说:“我们的主要目标是证明我们可以在火星上飞行,现已完成19次飞行,我们能对未来太空探索产生最大的影响就是继续放飞‘机智号’!”

  我们每一次成功完成飞行任务都能获得宝贵的工程数据,这对于我们的后代进入深入太空探索具有重要意义。

  火星恶劣的环境意味着像“蜻蜓号”旋翼飞机需要携带美国宇航局强大的核动力电池,这是该任务科学目标所需要的,同时也需要实验条件、计算功能硬件和坚硬的着陆滑雪板来应对火星的粗糙表面。

  “蜻蜓号”任务副首席研究员梅丽莎·G·特雷纳(Melissa G Trainer)称,现有火星地图并不详细,但旋翼飞机将飞过一个潜在着陆点,如果测试分析该着陆点无法安全着陆,就会继续飞行,当蜻蜓号飞行时,会自动绘制土卫六地图,这种跨越方式是风险最小的选择。

  然而,火星在一个方面比土卫六具有更大的优势,特特尔说:“在火星周围的一些轨道飞行器已持续工作数十年时间,可以为‘机智号’进行勘测探索,并起到中继器的作用,‘蜻蜓号’必须与地球进行直接通信,并自行侦察当地情况。”

可能需要简单、更坚固的坦克式漫游车来探索太阳系一些不适宜生命存活的星球。可能需要简单、更坚固的坦克式漫游车来探索太阳系一些不适宜生命存活的星球。

  不足一天的时间,“机智号”勘测数据就能从火星到达地球,然后研究人员进行分析,但对于土卫六,相关的勘测数据传输就需要更长的时间。扎内托斯称,目前研究团队正在设计能携载更重载荷的旋翼飞机,适用于未来土卫六勘测任务。

  与火星相比,土卫六具有相反极端的特征,它是土星的一颗卫星,体积与小型行星相当,拥有被冰层覆盖的地壳,但冰壳之下是覆盖整个卫星的海洋,那里非常寒冷,还下着甲烷雨,部分专家认为,船只可以探索土卫六地下海洋表面,潜艇能行驶在地下海洋深处,飞艇可在大气层中飞行。

  特雷纳说:“土卫六环境非常适合于比空气重的飞行器进行探索,该卫星拥有较低重力和稠密大气层,意味着飞机和直升机可以建造得更大一些,携带更重的有效载荷,比火星探测器拥有更大的勘测能力。”

  科学家认为,人类探索火星和土卫六之后的下一个目标可能是金星,该行星大气密度相当于地球的90倍,表面温度大约 475摄氏度,大气压93bar,这相当于地下海底1.6千米深处的压力。

  多布雷亚说:“金星大气层很糟糕,但也不是一无是处,它拥有20千米厚度的巨型大气层,距离金星表面50-70千米,比地球大气层密度更大,飞机更容易飞行。太阳能飞机有可能无限期地在这个高度飞行,而且利用现有太阳能技术是可能做到这一点的。”

  除此之外,可能还有另一种选择——气球,多布雷亚的第二个土卫六飞机概念是在接近水面区域的飞行器,这将是一个“巨大的设计挑战”,因为接近水面区域的温度较高,缺少太阳光线照射,同时大气压较大。

  该飞行器采用一种类似于斯特林发动机的引擎装置,将接近水面的高温转化为能量,在较冷、较高的海拔处为飞行器提供动力,这将是为数不多使用斯特林发动机的飞行器之一。

  据悉,气球首次漂浮在地外星球的历史可追溯至1985年6月,前苏联“织女号”探测器发射了两个巨大的球状气球进入金星大气层,相关的勘测仪器悬挂在气球下方的吊舱中。美国气球跟踪项目负责人罗伯特??普雷斯顿(Robert Preston)称,我们知道这两个气球已释放抵达金星大气层,但却不知道它们是否还正常漂浮着,我们的示波器屏幕上呈现的都是噪音,但我们还是获得一个微弱的信号。

未来的金星飞行器概念是怎样的呢?科学家计划制造一个完全机械的机器人,一种自主活动、蒸汽朋友类型的漫游车,最初设计甚至有腿,而不是轮子,该设计灵感来自于荷兰艺术家西奥??詹森(Theo Jansen)的巨大风力机械雕像。  未来的金星飞行器概念是怎样的呢?科学家计划制造一个完全机械的机器人,一种自主活动、蒸汽朋友类型的漫游车,最初设计甚至有腿,而不是轮子,该设计灵感来自于荷兰艺术家西奥??詹森(Theo Jansen)的巨大风力机械雕像。

  “织女号”气球漂浮在金星海拔54千米的高空,收集了46小时的大气数据,太空历史学家杰伊·加伦特汀(Jay Gallentine)说:“当人们谈及‘织女号’气球释放在金星大气层时,通常都认为这是‘非常’成功的太空任务。”据悉,他是《来自地球的大使:使用无人驾驶飞船探索》一书的作者。

  扎内托斯说:“我知道未来科学家还将研发新型火星探测器,我们正在为‘太空探索’工具箱里添加新的工具,我们所学到的一切将帮助下一代不仅探索火星,还将探索太阳系其他星球。”

  但这可能是一个更大的挑战,美国喷气推进实验室科技应用小组、美国宇航局科学家乔纳森·绍德(Jonathan Sauder)警告称,如果你开始观察太阳系外的行星,那么就会认为这些天体太不可思议,一些行星的大气层是由冰构成,或者含有大量金属,但也潜在着部分行星类似地球,可能具备生命宜居条件。

  扎内托斯说:“无论地外天体环境怎样,我们在太阳系其他行星上自主驾驶飞机中学到的经验是人类未来太空飞行的基础。”据悉,绍德正在设计一款金星着陆器,目前该着陆器被命名为“极端环境自动探测器(Aree)”,他希望未来有一天它还能探索水星,并漂浮在这颗气态巨行星深处,或者适用于勘测地球内部。

  他指出,在建造金星着陆器时,极端的环境意味着我们装配在飞行器上的许多传统组件将无法正常工作,大气压力能将大气中的酸物质推入飞行器组件中,这意味着它们必须由不锈钢或者钛材料制成,避免高温融化电子产品。

  乔纳森·绍德说:“我有信心,未来总有一天会在金星表面发射探测器!”

  绍德的金星飞行器概念是怎样的呢?他计划制造一个完全机械的机器人,一种自主活动、蒸汽朋克类型的漫游车,最初设计甚至有腿,而不是轮子,其设计灵感来自于荷兰艺术家西奥·詹森(Theo Jansen)的巨大风力机械雕像。

  为了探测和躲避障碍物,该着陆器使用一个由滚轴和保险杠组成的系统,它有点儿像儿童玩具,当着陆器遇到障碍物时,就会倒车,然后略微改变不同的方向前进。

  绍德说:“它可能不是最有效的,但是它非常稳健和可靠,能够在金星表面展开勘测活动。”然而,事实证明,着陆器要完全摆脱电子组件太难了,新型基础电子组件能在高温下工作,用于测量大气温度和化学成分,并将数据传输给轨道飞行器。

  其次是动力问题,对于金星探测器而言,太阳能不是唯一选择,因为金星有厚密云层,对此美国宇航局工程师建议利用风能直接驱动探测器的机械系统,相机和化学传感器的设计则更加棘手,还亟待进一步开发。(新浪科技 叶倾城)



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