未來風格的地外飛行器:核動力蜻蜓旋翼機和蒸汽朋克型漫遊車

2022年02月17日11:04
2021年4月19日,一架名為“機智號(Ingenuity)”的小型實驗直升機從火星表面升起。
2021年4月19日,一架名為“機智號(Ingenuity)”的小型實驗直升機從火星表面升起。

  2月17日消息,據國外媒體報導,如果你能在火星上空操控無人機,那麼將比火星表面行駛的火星車能更快速、更廣泛地執行勘測任務,但設計一架火星無人機存在著巨大挑戰。

  2021年4月19日,一架名為“機智號(Ingenuity)”的小型實驗直升機從火星表面升起,這架自主飛行器的轉子在稀薄的火星大氣中快速旋轉,從而產生足夠升力,使它飛行達到5米高度,在空中盤旋之後安全著陸,實現了人類在另一顆星球上首次操控飛行器。

像“機智號”直升機(圖右)提供了一種不同於“好奇號”火星車(圖左)不同的運行方法,來繪製外星世界地圖。
像“機智號”直升機(圖右)提供了一種不同於“好奇號”火星車(圖左)不同的運行方法,來繪製外星世界地圖。

  預計到本世紀30年代,一架小型汽車大小的旋翼飛機——“蜻蜓號”,將著陸在土星最大衛星——土衛六,並開始人類對土衛六的首次探索任務,僅需1個小時,“蜻蜓號”的飛行範圍就超越登陸地外星球任何表面探測車的行駛距離。這架類似無人機的多轉子飛行器將飛越土衛六表面,在飛行抵達下一個目的地之前,將在土衛六表面著陸一天時間(相當於16個地球日)進行相關實驗。

  但對於地外人造飛行器而言,最大的挑戰是極其炎熱的金星,或許也存在著巨大的機遇。金星擁有極高溫度、壓力和酸性大氣層,但沒有任何著陸器能夠在破裂的板岩狀金星表面停留超過127分鐘。

像“蜻蜓號”這樣的旋翼飛機可以由小型核反應堆提供動力。
像“蜻蜓號”這樣的旋翼飛機可以由小型核反應堆提供動力。

  這些困難並未阻止科學家,目前他們計劃向金星發射兩架飛行器,一架是太陽能動力滑翔機,能夠在金星較溫和的上層大氣無限期地飛行;另一架是類似飛行翼設計的飛行器,可以在接近金星表面的惡劣環境中飛行。

  美國加州行星科學研究所高級科學家埃爾達·諾·多佈雷亞(Eldar Noe Dobrea)博士說:“開發設計能著陸金星表面的飛行器技術難度很大,唯一的選擇就是在大氣層中飛行。”

“蜻蜓號”旋翼飛機能在土衛六自動繪製地圖。
“蜻蜓號”旋翼飛機能在土衛六自動繪製地圖。

  特迪·紮內托斯(Teddy Tzanetos)是航空飛行小組的機器人技術專家,也是“機智號”火星直升機研究小組負責人,他正在研究新一代火星直升機設計。他說:“我們知道萊特兄弟設計的飛機完成首次飛行為人類所做的貢獻,我認為在其他行星遵循類似的設計模式將具有重大意義。”

  約翰·霍普金斯應用物理實驗室首席研究員伊麗莎白·茲比·特特爾說:“我從未想過這樣的類比,但‘蜻蜓號’是‘機智號’首次飛行後的下一個版本,未來它會成為首個將全部科研有效載荷實現空中運輸的飛行器。”

  像早期極地飛行器一樣,美國宇航局工程師們意識到飛行器將對探索地外星球帶來革命性變化,例如:類似“海盜號”和“好奇”號火星登陸車、“卡西尼號”軌道探測器這樣的標誌性探測器,它們對探索宜居星球大氣層具有積極貢獻,但未來的飛行器也可能有其他的選擇,機器人、可操控飛艇、直升機、無人機,甚至充氣螺旋槳飛機等,它們可以快速收集有關行星表面大片區域的大量數據,避免危險地形,收集從探測車或者軌道上無法獲得的近距離圖像,並從不同的角度觀察任務目標。

  像這樣的飛行器也可以對探測車無法抵達的區域進行勘測,例如:山脈、山峰,甚至是生命無法存活的金星表面。

  美國宇航局工程師面臨的問題是,每顆星球的環境對飛機的類型、載荷和飛行能力都具有不同程度的製約,此外,工程師能使用的技術也存在類似的限制。

  “火星大氣厚度不及地球大氣1%,這使得飛機很難在火星表面產生升力。”

  土星5號火箭設計者沃納·馮·布勞恩(Wernher von Braun)設想利用超音速滑翔機登陸火星,科幻小說作家菲利普·K·迪克(Philip K 。 Dick)曾想像人類殖民者乘坐直升機登上火星。上世紀70年代“海盜號”探測器登陸火星之後,美國宇航局工程師開始研究火星飛行器概念,現今美國軍方使用的“捕食者”無人機也具有火星無人機的飛行能力。

  火星大氣密度不及地球大氣密度1%,這使得飛行器很難在火星表面產生升力,意味著火星直升機必須非常輕,才能保持升空飛行,但它仍需要具備飛行器的相關功能,例如:鋰離子電池、傳感器和攝像機,以及加熱和絕緣材料,從而保證它能在火星寒冷的夜晚正常運行。紮內托斯說:“如果你想解決所有這些挑戰,且建造重量少於1.8公斤的飛機,那麼你就擁有了自己的‘機智號’。”

  他說:“我們的首席工程師和研究團隊成員在20世紀90年代就開始研究火星直升機概念,但當時的技術還不成熟,直到十年前,關於火星直升機的技術演示初見雛形。”

  同時,該研究小組還研究了固定機翼飛行器,但在火星使用旋翼機更有意義,因為火星表面沒有機場。美國宇航局擁有9個不同的技術準備等級(TRL),從“已被觀察和報告的基本原理”的TRL1,到“通過任務操作的飛行驗證”的TRL9。

  上世紀90年代,為“機智號”火星直升機提供動力的電池才剛研發出來,很少有人意識到碳纖維等新型材料的應用潛力,同時,該飛行器實現飛行的傳感器、輕量級飛行器的計算能力和相應算法並不成熟,人類建造該飛行器的技術和技能也不完善。

  特迪·紮內托斯說:“我們的主要目標是證實飛行器能在火星上飛行,火星直升機現已完成19次火星飛行!”

  20多年過去了,現今的技術已日臻完善,現今地球上無人機可以運送包裹和疫苗,並用於觀察農作物生長和考古遺址探索,這確實是所有先進技術在正確的時間彙集在一起,使“機智號”火星直升機設計成為可能。

  目前“機智號”火星直升機已通過了測試飛行,並實現了火星表面飛行,紮內托斯說:“我們的主要目標是證明我們可以在火星上飛行,現已完成19次飛行,我們能對未來太空探索產生最大的影響就是繼續放飛‘機智號’!”

  我們每一次成功完成飛行任務都能獲得寶貴的工程數據,這對於我們的後代進入深入太空探索具有重要意義。

  火星惡劣的環境意味著像“蜻蜓號”旋翼飛機需要攜帶美國宇航局強大的核動力電池,這是該任務科學目標所需要的,同時也需要實驗條件、計算功能硬件和堅硬的著陸滑雪板來應對火星的粗糙表面。

  “蜻蜓號”任務副首席研究員梅麗莎·G·特雷納(Melissa G Trainer)稱,現有火星地圖並不詳細,但旋翼飛機將飛過一個潛在著陸點,如果測試分析該著陸點無法安全著陸,就會繼續飛行,當蜻蜓號飛行時,會自動繪製土衛六地圖,這種跨越方式是風險最小的選擇。

  然而,火星在一個方面比土衛六具有更大的優勢,特特爾說:“在火星周圍的一些軌道飛行器已持續工作數十年時間,可以為‘機智號’進行勘測探索,並起到中繼器的作用,‘蜻蜓號’必須與地球進行直接通信,並自行偵察當地情況。”

可能需要簡單、更堅固的坦克式漫遊車來探索太陽系一些不適宜生命存活的星球。
可能需要簡單、更堅固的坦克式漫遊車來探索太陽系一些不適宜生命存活的星球。

  不足一天的時間,“機智號”勘測數據就能從火星到達地球,然後研究人員進行分析,但對於土衛六,相關的勘測數據傳輸就需要更長的時間。紮內托斯稱,目前研究團隊正在設計能攜載更重載荷的旋翼飛機,適用於未來土衛六勘測任務。

  與火星相比,土衛六具有相反極端的特徵,它是土星的一顆衛星,體積與小型行星相當,擁有被冰層覆蓋的地殼,但冰殼之下是覆蓋整個衛星的海洋,那裡非常寒冷,還下著甲烷雨,部分專家認為,船隻可以探索土衛六地下海洋表面,潛艇能行駛在地下海洋深處,飛艇可在大氣層中飛行。

  特雷納說:“土衛六環境非常適合於比空氣重的飛行器進行探索,該衛星擁有較低重力和稠密大氣層,意味著飛機和直升機可以建造得更大一些,攜帶更重的有效載荷,比火星探測器擁有更大的勘測能力。”

  科學家認為,人類探索火星和土衛六之後的下一個目標可能是金星,該行星大氣密度相當於地球的90倍,表面溫度大約 475攝氏度,大氣壓93bar,這相當於地下海底1.6千米深處的壓力。

  多佈雷亞說:“金星大氣層很糟糕,但也不是一無是處,它擁有20千米厚度的巨型大氣層,距離金星表面50-70千米,比地球大氣層密度更大,飛機更容易飛行。太陽能飛機有可能無限期地在這個高度飛行,而且利用現有太陽能技術是可能做到這一點的。”

  除此之外,可能還有另一種選擇——氣球,多佈雷亞的第二個土衛六飛機概念是在接近水面區域的飛行器,這將是一個“巨大的設計挑戰”,因為接近水面區域的溫度較高,缺少太陽光線照射,同時大氣壓較大。

  該飛行器採用一種類似於斯特林發動機的引擎裝置,將接近水面的高溫轉化為能量,在較冷、較高的海拔處為飛行器提供動力,這將是為數不多使用斯特林發動機的飛行器之一。

  據悉,氣球首次漂浮在地外星球的歷史可追溯至1985年6月,前蘇聯“織女號”探測器發射了兩個巨大的球狀氣球進入金星大氣層,相關的勘測儀器懸掛在氣球下方的吊艙中。美國氣球跟蹤項目負責人羅伯特普雷斯頓(Robert Preston)稱,我們知道這兩個氣球已釋放抵達金星大氣層,但卻不知道它們是否還正常漂浮著,我們的示波器屏幕上呈現的都是噪音,但我們還是獲得一個微弱的信號。

未來的金星飛行器概念是怎樣的呢?科學家計劃製造一個完全機械的機器人,一種自主活動、蒸汽朋友類型的漫遊車,最初設計甚至有腿,而不是輪子,該設計靈感來自於荷蘭藝術家西奧詹森(Theo Jansen)的巨大風力機械雕像。
未來的金星飛行器概念是怎樣的呢?科學家計劃製造一個完全機械的機器人,一種自主活動、蒸汽朋友類型的漫遊車,最初設計甚至有腿,而不是輪子,該設計靈感來自於荷蘭藝術家西奧詹森(Theo Jansen)的巨大風力機械雕像。

  “織女號”氣球漂浮在金星海拔54千米的高空,收集了46小時的大氣數據,太空歷史學家傑伊·加倫特汀(Jay Gallentine)說:“當人們談及‘織女號’氣球釋放在金星大氣層時,通常都認為這是‘非常’成功的太空任務。”據悉,他是《來自地球的大使:使用無人駕駛飛船探索》一書的作者。

  紮內托斯說:“我知道未來科學家還將研發新型火星探測器,我們正在為‘太空探索’工具箱里添加新的工具,我們所學到的一切將幫助下一代不僅探索火星,還將探索太陽系其他星球。”

  但這可能是一個更大的挑戰,美國噴氣推進實驗室科技應用小組、美國宇航局科學家喬納森·紹德(Jonathan Sauder)警告稱,如果你開始觀察太陽系外的行星,那麼就會認為這些天體太不可思議,一些行星的大氣層是由冰構成,或者含有大量金屬,但也潛在著部分行星類似地球,可能具備生命宜居條件。

  紮內托斯說:“無論地外天體環境怎樣,我們在太陽系其他行星上自主駕駛飛機中學到的經驗是人類未來太空飛行的基礎。”據悉,紹德正在設計一款金星著陸器,目前該著陸器被命名為“極端環境自動探測器(Aree)”,他希望未來有一天它還能探索水星,並漂浮在這顆氣態巨行星深處,或者適用於勘測地球內部。

  他指出,在建造金星著陸器時,極端的環境意味著我們裝配在飛行器上的許多傳統組件將無法正常工作,大氣壓力能將大氣中的酸物質推入飛行器組件中,這意味著它們必須由不鏽鋼或者鈦材料製成,避免高溫融化電子產品。

  喬納森·紹德說:“我有信心,未來總有一天會在金星表面發射探測器!”

  紹德的金星飛行器概念是怎樣的呢?他計劃製造一個完全機械的機器人,一種自主活動、蒸汽朋克類型的漫遊車,最初設計甚至有腿,而不是輪子,其設計靈感來自於荷蘭藝術家西奧·詹森(Theo Jansen)的巨大風力機械雕像。

  為了探測和躲避障礙物,該著陸器使用一個由滾軸和保險杠組成的系統,它有點兒像兒童玩具,當著陸器遇到障礙物時,就會倒車,然後略微改變不同的方向前進。

  紹德說:“它可能不是最有效的,但是它非常穩健和可靠,能夠在金星表面展開勘測活動。”然而,事實證明,著陸器要完全擺脫電子組件太難了,新型基礎電子組件能在高溫下工作,用於測量大氣溫度和化學成分,並將數據傳輸給軌道飛行器。

  其次是動力問題,對於金星探測器而言,太陽能不是唯一選擇,因為金星有厚密雲層,對此美國宇航局工程師建議利用風能直接驅動探測器的機械系統,相機和化學傳感器的設計則更加棘手,還亟待進一步開發。(葉傾城)

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