那些将在外星世界中“一展身手”的有趣飞行器

发布时间:2022-03-07 来源:新浪科技 原文链接:点击获取

新浪科技讯 北京时间3月7日消息,据国外媒体报道,如果用无人机开展火星探索,探索范围和速度都将远远胜过火星车,但设计一台这样的无人机却是一项艰巨的挑战。

2021年4月19日,一架名为“机智号”(Ingenuity)的微型直升机从火星表面腾空而起,完成了一项足以载入史册的壮举。为了提供足够的升力,这架无人驾驶直升机的马达在稀薄的空气中疯狂地转动,将直升机提升到了一层楼的高度。“机智号”在空中悬停了一会儿,随后安全着陆,完成了人类在另一颗行星上的首次受控飞行。它降落的区域名叫“莱特兄弟场”(Wright Brothers Field),以航空业先驱莱特兄弟命名。

等到2035年左右,一架体积与小轿车相当的旋翼飞机“蜻蜓号”将接过接力棒,在土星最大的卫星土卫六上着陆,开展人类在这颗星球上的首次探索任务。在短短一小时内,“蜻蜓号”飞行的距离将超过此前在其它行星上的任何一台地面漫游车。这架多旋翼无人机将从土卫六表面飞过,然后在表面停留一个土卫六日(相当于16个地球日),期间开展各种实验,然后再飞往下一个目的地,它将成为第一台携带全部科学仪器飞来飞去的航天器。

  与“好奇号”火星车艰难的探索历程相比,像“机智号”这样的直升机或许能以更轻松的方式探索火星。

  与“好奇号”火星车艰难的探索历程相比,像“机智号”这样的直升机或许能以更轻松的方式探索火星。

但对地外飞行而言,最大的挑战(也可能是最大的机遇)莫过于地狱般炽热的金星,因为金星大气集齐了极端高温、高压和酸性几大特征。迄今为止,还没有一台着陆器能在金星表面坚持127小时以上。

科学家计划向金星送去两台飞行器。其中一台为太阳能飞行器,将从金星较为温和无害的上层大气中穿过;另一台则采用了飞翼设计,将从接近表面的严酷环境中飞过。在金星上降落的技术研发起来十分困难。从大气中飞过可能是唯一的替代方案。

NASA空中移动小组机器人技术专家、“机智号”团队带头人泰迪·萨内托斯已经在着手设计下一代火星直升机了。“我们都知道莱特兄弟是如何实现人类在地球上的第一次飞行的,如今,我们在其它行星上也会遵守相同的模式。”

就像此前的极地航空探测一样,工程师们意识到,飞行器将给我们对外星球的探索带来革命性的变化。如果大气条件合适,“维京号”、“好奇号”等火星着陆器、以及“卡西尼号”等轨道飞行器将继续在外星探索中发挥关键作用,但除此之外,如今我们有了更多选择。例如可操控的机器飞艇、直升机、无人机、甚至还有充气式螺旋桨飞机(均由NASA科学家提出),这些都可以在短时间内收集到行星表面大范围内的高质量数据,同时还能避开各种危险地形。它们可以拍摄到漫游车或轨道器无法拍摄的近距离照片,还可以从不同角度观察任务目标。这些飞行器可以到达漫游车无法抵达之处,比如高山、峰顶、甚至还有金星表面那样极不宜居的环境。

“蜻蜓号”可以由小型反应堆提供能量。

“蜻蜓号”可以由小型反应堆提供能量。

对工程师来说,问题在于每颗行星的环境各有千秋,对适用的飞行器类型、载荷和功能造成了不同的限制,工程师还面临着各种各样的技术局限。

据土星5号火箭设计师韦恩赫尔·冯·布劳恩设想,在火星上降落可以以超音速滑翔机的形式实现。科幻小说作家菲利普·迪克猜想,人类可以借助直升机实现火星殖民。工程师们则从上世纪70年代“维京号”登陆火星后就展开了火星飞行器的概念设计,其中有些功能用在了如今美国军方的“捕食者号”无人机上。

火星大气密度只有地球的1%,因此飞行器难以产生升力。这就意味着,火星直升机自重必须非常轻,但又要能携带锂电池、传感器和摄像机,还要具有隔热和保温功能、以度过火星上的冰冷长夜。只要攻克了这些挑战,将飞行器重量控制在1.8千克以下,你也能打造出自己的“机智号”。工程师从90年代就开始研究火星直升机了,但技术条件一直不具备。不过从2010年开始,研究进展开始加速,最后成功实现了技术论证。

工程师们其实还考察了固定翼飞行器,但火星上没有机场,因此直升机更为合适。

上世纪90年代,“机智号”所需的电池才刚刚被发明出来,碳纤维的潜力也尚未被人发掘。此外,传感器、超轻计算机和飞行算法也远不够成熟,人类更是还不具备打造和操控这类设备的能力。如今20多年过去,情况已大为不同。在今天的地球上,无人机不仅被用来运送包裹和疫苗,还常用于考察粮食作物和考古遗迹。这些技术全都在恰当的时间凑到了一起,“机智号”才得以问世。

“机智号”已经完成了数次试飞,目前仍在执行飞行任务。这样做主要是为了证明可以在火星上飞行,并且已经成功了19次。每次成功完成试飞,都提供了大量宝贵的工程数据。

土卫六的情况则与火星恰好相反,走向了另一个极端。土卫六的大小与月球相仿,表面覆盖着一层冰壳,下方是一片包裹整颗星球的巨大海洋,不仅气候寒冷,还会下“甲烷雨”。有科学家提出,我们可以用船只探索土卫六表面,用潜水艇探索其地下海,用飞艇探测大气层。

土卫六的环境非常特殊,很适合用比空气重的飞行器开展探索。土卫六上引力较小、且大气稠密,意味着飞机和直升机的体型可以做得更大,携带的荷载也可以更重,能实现的功能也比在火星上丰富。土卫六的特殊环境意味着,像“蜻蜓号”这样的旋翼飞行器可以携带强大的核电池、实验设备、计算机硬件、以及强韧的滑撬式起落架。

“蜻蜓号”将在飞越土卫六表面的过程中自行绘制地图。

“蜻蜓号”将在飞越土卫六表面的过程中自行绘制地图。

目前我们掌握的土卫六地图还不够详细,但“蜻蜓号”会在飞近着陆点时判断形势,若无法安全着陆,就接着飞往下一个着落点。“蜻蜓号”会在飞行过程中绘制自己的地图,采用这种着陆方法的风险最小。

不过在这一点上,火星的优势就胜过土卫六了。各种轨道探测器已经围绕火星飞行了数十载,足以担当“机智号”的侦察兵,还可以担任通信中继器。而“蜻蜓号”就只能直接与地球进行通讯,还得亲自勘测地形。

数据从火星传回地球只需不到一天时间,而从土卫六传回地球,耗时就要长得多了。

继土卫六之后,我们的下一个目标可能是地球的“姐妹”——金星。金星的大气密度高达地球的90倍,表面温度约为475摄氏度,气压约93bar,相当于地球海面下方1.6公里处的压强。

金星大气层十分恐怖,地表上方约50公里处有一片巨大而稠密的云层,厚度接近20公里,最高处可达地表上方70公里,比地球大气稠密得多。在这个高度上,太阳能航天器应该能在其中飞行,并且借助现有技术便可做到。

在金星飞行器的概念设计中,还将有一架更贴近表面的飞行器,不过这将是一项巨大的挑战。这架飞行器的发动机类似于“斯特林发动机”,可以将金星表面处的极端高温转化为能量、等到凉爽的高空使用。目前采用这种发动机的飞机还寥寥无几,若能成功,它也将成为其中之一。

不过我们也许还有另一个选择——气球。

正是气球帮我们实现了人类在外星球上的首次“飞行”。1985年6月,苏联与欧洲合作开展的“维加计划”向金星大气中投放了两个巨大的气球,探测仪器放置在气球下方的吊篮里。

“我们当时只知道释放了两个气球,但不清楚它们是否还安好。”美国对这两个气球开展的追踪项目带头人罗伯特·普雷斯顿指出,“一开始,我们在示波屏上除了噪音什么都看不到。直到有一天,屏幕上突然出现了一个微弱的信号。我记得自己当时离开控制室、来到室外,看到金星在清早的天空中闪闪发光,心里忍不住想:‘我登上金星了。’”这两个气球飘浮在海拔约54公里处,共收集了46个小时的大气数据,这次任务可以说是极其成功。

系外行星的情况会更加疯狂,有的行星可能完全由冰构成,有的大气中可能含有金属。还有些行星更是可怕,就凭我们今日的技术,不管送去什么都会被彻底摧毁。不过除此之外,也有一些行星与地球颇为相似。无论这些行星系的环境如何,用到的物理原理都是相同的,我们从太阳系中学到的飞行经验将为未来的星际探索奠定良好的基础。

这款金星着陆器使用的电子元件虽然简单、却很耐用,可以经受金星表面的高温高压环境。

这款金星着陆器使用的电子元件虽然简单、却很耐用,可以经受金星表面的高温高压环境。

工程师目前正在设计一款可以在金星上存活的着陆器,其中用到的物理机制有朝一日或可用来打造水星着陆器、深入气态巨行星内部的探测器、以及地心探索设备。金星上的环境十分极端,因此要想打造金星着陆器,太空飞船的许多传统部件都不适用。

金星的巨大压强会使大气层中的酸性物质深深渗入探测器部件中,意味着这些部件必须由不锈钢或钛金属制成。而极端高压则足以使电子器件融化。那么,解决方案是什么呢?最初版设计采用的甚至不是轮子、而是腿,其灵感来自荷兰设计师泰奥·杨森设计的“仿生兽”(Strandbeest)系列机械雕塑。为探测和躲避障碍物,其采用的设计有点类似小孩玩的“碰碰车”,一旦撞到障碍物就会回退,然后稍微变个方向、继续前进,这种方法也许效率不够高,但很可靠,也很适合金星环境。

NASA这款概念设计灵感来自荷兰设计师泰奥·杨森设计的“仿生兽”(Strandbeest)系列机械雕塑。

NASA这款概念设计灵感来自荷兰设计师泰奥·杨森设计的“仿生兽”(Strandbeest)系列机械雕塑。

在探索太阳系中条件较为严苛的行星时,也许要借助这种简单、耐用、坦克般的漫游车才行。

在探索太阳系中条件较为严苛的行星时,也许要借助这种简单、耐用、坦克般的漫游车才行。

但事实证明,不用任何电子元件几乎是不可能的。最终设计选用了耐高温的基础电子元件,用于测量大气温度和化学组成、以及将数据发送给轨道飞行器。

然后还有供能的问题。金星表面的云层过于稠密,且夜晚时间长达60天,因此太阳能显然不可行。NASA工程师计划借金星表面的风直接驱动漫游车的机械系统。除此之外,摄像机和化学传感器的问题更为棘手,还在进一步研发中。

这架探测器能够真正降落在金星上的机会其实微乎其微,但很有可能对未来金星探测器的设计产生影响。相信我们有朝一日终会将探测器送上金星表面,而从如今这款探测器架构中学到的经验教训很有可能影响到它们的设计。(叶子)