那些將在外星世界中「一展身手」的有趣飛行器

2022年03月07日10:09

  3月7日消息,據國外媒體報導,如果用無人機開展火星探索,探索範圍和速度都將遠遠勝過火星車,但設計一台這樣的無人機卻是一項艱巨的挑戰。

  2021年4月19日,一架名為“機智號”(Ingenuity)的微型直升機從火星表面騰空而起,完成了一項足以載入史冊的壯舉。為了提供足夠的升力,這架無人駕駛直升機的馬達在稀薄的空氣中瘋狂地轉動,將直升機提升到了一層樓的高度。“機智號”在空中懸停了一會兒,隨後安全著陸,完成了人類在另一顆行星上的首次受控飛行。它降落的區域名叫“萊特兄弟場”(Wright Brothers Field),以航空業先驅萊特兄弟命名。

  等到2035年左右,一架體積與小轎車相當的旋翼飛機“蜻蜓號”將接過接力棒,在土星最大的衛星土衛六上著陸,開展人類在這顆星球上的首次探索任務。在短短一小時內,“蜻蜓號”飛行的距離將超過此前在其它行星上的任何一台地面漫遊車。這架多旋翼無人機將從土衛六表面飛過,然後在表面停留一個土衛六日(相當於16個地球日),期間開展各種實驗,然後再飛往下一個目的地,它將成為第一台攜帶全部科學儀器飛來飛去的航天器。

與“好奇號”火星車艱難的探索曆程相比,像“機智號”這樣的直升機或許能以更輕鬆的方式探索火星。
與“好奇號”火星車艱難的探索曆程相比,像“機智號”這樣的直升機或許能以更輕鬆的方式探索火星。

  但對地外飛行而言,最大的挑戰(也可能是最大的機遇)莫過於地獄般熾熱的金星,因為金星大氣集齊了極端高溫、高壓和酸性幾大特徵。迄今為止,還沒有一台著陸器能在金星表面堅持127小時以上。

  科學家計劃向金星送去兩台飛行器。其中一台為太陽能飛行器,將從金星較為溫和無害的上層大氣中穿過;另一台則採用了飛翼設計,將從接近表面的嚴酷環境中飛過。在金星上降落的技術研發起來十分困難。從大氣中飛過可能是唯一的替代方案。

  NASA空中移動小組機器人技術專家、“機智號”團隊帶頭人泰迪·薩內托斯已經在著手設計下一代火星直升機了。“我們都知道萊特兄弟是如何實現人類在地球上的第一次飛行的,如今,我們在其它行星上也會遵守相同的模式。”

  就像此前的極地航空探測一樣,工程師們意識到,飛行器將給我們對外星球的探索帶來革命性的變化。如果大氣條件合適,“維京號”、“好奇號”等火星著陸器、以及“卡西尼號”等軌道飛行器將繼續在外星探索中發揮關鍵作用,但除此之外,如今我們有了更多選擇。例如可操控的機器飛艇、直升機、無人機、甚至還有充氣式螺旋槳飛機(均由NASA科學家提出),這些都可以在短時間內收集到行星表面大範圍內的高質量數據,同時還能避開各種危險地形。它們可以拍攝到漫遊車或軌道器無法拍攝的近距離照片,還可以從不同角度觀察任務目標。這些飛行器可以到達漫遊車無法抵達之處,比如高山、峰頂、甚至還有金星表面那樣極不宜居的環境。

“蜻蜓號”可以由小型反應堆提供能量。
“蜻蜓號”可以由小型反應堆提供能量。

  對工程師來說,問題在於每顆行星的環境各有千秋,對適用的飛行器類型、載荷和功能造成了不同的限制,工程師還面臨著各種各樣的技術局限。

  據土星5號火箭設計師韋恩赫爾·馮·布勞恩設想,在火星上降落可以以超音速滑翔機的形式實現。科幻小說作家菲利普·迪克猜想,人類可以借助直升機實現火星殖民。工程師們則從上世紀70年代“維京號”登陸火星後就展開了火星飛行器的概念設計,其中有些功能用在了如今美國軍方的“捕食者號”無人機上。

  火星大氣密度只有地球的1%,因此飛行器難以產生升力。這就意味著,火星直升機自重必須非常輕,但又要能攜帶鋰電池、傳感器和攝像機,還要具有隔熱和保溫功能、以度過火星上的冰冷長夜。只要攻克了這些挑戰,將飛行器重量控制在1.8千克以下,你也能打造出自己的“機智號”。工程師從90年代就開始研究火星直升機了,但技術條件一直不具備。不過從2010年開始,研究進展開始加速,最後成功實現了技術論證。

  工程師們其實還考察了固定翼飛行器,但火星上沒有機場,因此直升機更為合適。

  上世紀90年代,“機智號”所需的電池才剛剛被發明出來,碳纖維的潛力也尚未被人發掘。此外,傳感器、超輕計算機和飛行算法也遠不夠成熟,人類更是還不具備打造和操控這類設備的能力。如今20多年過去,情況已大為不同。在今天的地球上,無人機不僅被用來運送包裹和疫苗,還常用於考察糧食作物和考古遺蹟。這些技術全都在恰當的時間湊到了一起,“機智號”才得以問世。

  “機智號”已經完成了數次試飛,目前仍在執行飛行任務。這樣做主要是為了證明可以在火星上飛行,並且已經成功了19次。每次成功完成試飛,都提供了大量寶貴的工程數據。

  土衛六的情況則與火星恰好相反,走向了另一個極端。土衛六的大小與月球相仿,表面覆蓋著一層冰殼,下方是一片包裹整顆星球的巨大海洋,不僅氣候寒冷,還會下“甲烷雨”。有科學家提出,我們可以用船隻探索土衛六表面,用潛水艇探索其地下海,用飛艇探測大氣層。

  土衛六的環境非常特殊,很適合用比空氣重的飛行器開展探索。土衛六上引力較小、且大氣稠密,意味著飛機和直升機的體型可以做得更大,攜帶的荷載也可以更重,能實現的功能也比在火星上豐富。土衛六的特殊環境意味著,像“蜻蜓號”這樣的旋翼飛行器可以攜帶強大的核電池、實驗設備、計算機硬件、以及強韌的滑撬式起落架。

“蜻蜓號”將在飛越土衛六表面的過程中自行繪製地圖。
“蜻蜓號”將在飛越土衛六表面的過程中自行繪製地圖。

  目前我們掌握的土衛六地圖還不夠詳細,但“蜻蜓號”會在飛近著陸點時判斷形勢,若無法安全著陸,就接著飛往下一個著落點。“蜻蜓號”會在飛行過程中繪製自己的地圖,採用這種著陸方法的風險最小。

  不過在這一點上,火星的優勢就勝過土衛六了。各種軌道探測器已經圍繞火星飛行了數十載,足以擔當“機智號”的偵察兵,還可以擔任通信中繼器。而“蜻蜓號”就只能直接與地球進行通訊,還得親自勘測地形。

  數據從火星傳回地球只需不到一天時間,而從土衛六傳回地球,耗時就要長得多了。

  繼土衛六之後,我們的下一個目標可能是地球的“姐妹”——金星。金星的大氣密度高達地球的90倍,表面溫度約為475攝氏度,氣壓約93bar,相當於地球海面下方1.6公里處的壓強。

  金星大氣層十分恐怖,地表上方約50公里處有一片巨大而稠密的雲層,厚度接近20公里,最高處可達地表上方70公里,比地球大氣稠密得多。在這個高度上,太陽能航天器應該能在其中飛行,並且借助現有技術便可做到。

  在金星飛行器的概念設計中,還將有一架更貼近表面的飛行器,不過這將是一項巨大的挑戰。這架飛行器的發動機類似於“斯特林發動機”,可以將金星表面處的極端高溫轉化為能量、等到涼爽的高空使用。目前採用這種發動機的飛機還寥寥無幾,若能成功,它也將成為其中之一。

  不過我們也許還有另一個選擇——氣球。

  正是氣球幫我們實現了人類在外星球上的首次“飛行”。1985年6月,蘇聯與歐洲合作開展的“維加計劃”向金星大氣中投放了兩個巨大的氣球,探測儀器放置在氣球下方的吊籃裡。

  “我們當時只知道釋放了兩個氣球,但不清楚它們是否還安好。”美國對這兩個氣球開展的追蹤項目帶頭人羅伯特·普雷斯頓指出,“一開始,我們在示波屏上除了噪音什麼都看不到。直到有一天,屏幕上突然出現了一個微弱的信號。我記得自己當時離開控制室、來到室外,看到金星在清早的天空中閃閃發光,心裡忍不住想:‘我登上金星了。’”這兩個氣球飄浮在海拔約54公里處,共收集了46個小時的大氣數據,這次任務可以說是極其成功。

  系外行星的情況會更加瘋狂,有的行星可能完全由冰構成,有的大氣中可能含有金屬。還有些行星更是可怕,就憑我們今日的技術,不管送去什麼都會被徹底摧毀。不過除此之外,也有一些行星與地球頗為相似。無論這些行星系的環境如何,用到的物理原理都是相同的,我們從太陽系中學到的飛行經驗將為未來的星際探索奠定良好的基礎。

這款金星著陸器使用的電子元件雖然簡單、卻很耐用,可以經受金星表面的高溫高壓環境。
這款金星著陸器使用的電子元件雖然簡單、卻很耐用,可以經受金星表面的高溫高壓環境。

  工程師目前正在設計一款可以在金星上存活的著陸器,其中用到的物理機制有朝一日或可用來打造水星著陸器、深入氣態巨行星內部的探測器、以及地心探索設備。金星上的環境十分極端,因此要想打造金星著陸器,太空飛船的許多傳統部件都不適用。

  金星的巨大壓強會使大氣層中的酸性物質深深滲入探測器部件中,意味著這些部件必須由不鏽鋼或鈦金屬製成。而極端高壓則足以使電子器件融化。那麼,解決方案是什麼呢?最初版設計採用的甚至不是輪子、而是腿,其靈感來自荷蘭設計師泰奧·楊森設計的“仿生獸”(Strandbeest)系列機械雕塑。為探測和躲避障礙物,其採用的設計有點類似小孩玩的“碰碰車”,一旦撞到障礙物就會回退,然後稍微變個方向、繼續前進,這種方法也許效率不夠高,但很可靠,也很適合金星環境。

NASA這款概念設計靈感來自荷蘭設計師泰奧·楊森設計的“仿生獸”(Strandbeest)系列機械雕塑。
NASA這款概念設計靈感來自荷蘭設計師泰奧·楊森設計的“仿生獸”(Strandbeest)系列機械雕塑。

 

在探索太陽系中條件較為嚴苛的行星時,也許要借助這種簡單、耐用、坦克般的漫遊車才行。
在探索太陽系中條件較為嚴苛的行星時,也許要借助這種簡單、耐用、坦克般的漫遊車才行。

  但事實證明,不用任何電子元件幾乎是不可能的。最終設計選用了耐高溫的基礎電子元件,用於測量大氣溫度和化學組成、以及將數據發送給軌道飛行器。

  然後還有供能的問題。金星表面的雲層過於稠密,且夜晚時間長達60天,因此太陽能顯然不可行。NASA工程師計劃借金星表面的風直接驅動漫遊車的機械系統。除此之外,攝像機和化學傳感器的問題更為棘手,還在進一步研發中。

  這架探測器能夠真正降落在金星上的機會其實微乎其微,但很有可能對未來金星探測器的設計產生影響。相信我們有朝一日終會將探測器送上金星表面,而從如今這款探測器架構中學到的經驗教訓很有可能影響到它們的設計。(葉子)

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