北京時(shí)間 2 月 17 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，如果你能在火星上空操控?zé)o人機(jī)，那么將比火星表面行駛的火星車能更快速、更廣泛地執(zhí)行勘測任務(wù)，但設(shè)計(jì)一架火星無人機(jī)存在著巨大挑戰(zhàn)。
▲ 2021 年 4 月 19 日，一架名為“機(jī)智號(hào)（Ingenuity）”的小型實(shí)驗(yàn)直升機(jī)從火星表面升起。
2021 年 4 月 19 日，一架名為“機(jī)智號(hào)（Ingenuity）”的小型實(shí)驗(yàn)直升機(jī)從火星表面升起，這架自主飛行器的轉(zhuǎn)子在稀薄的火星大氣中快速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生足夠升力，使它飛行達(dá)到 5 米高度，在空中盤旋之后安全著陸，實(shí)現(xiàn)了人類在另一顆星球上首次操控飛行器。
▲像“機(jī)智號(hào)”直升機(jī)（圖右）提供了一種不同于“好奇號(hào)”火星車（圖左）不同的運(yùn)行方法，來繪制外星世界地圖。
預(yù)計(jì)到本世紀(jì) 30 年代，一架小型汽車大小的旋翼飛機(jī) ——“蜻蜓號(hào)”，將著陸在土星最大衛(wèi)星 —— 土衛(wèi)六，并開始人類對(duì)土衛(wèi)六的首次探索任務(wù)，僅需 1 個(gè)小時(shí)，“蜻蜓號(hào)”的飛行范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(jī)的多轉(zhuǎn)子飛行器將飛越土衛(wèi)六表面，在飛行抵達(dá)下一個(gè)目的地之前，將在土衛(wèi)六表面著陸一天時(shí)間（相當(dāng)于 16 個(gè)地球日）進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
但對(duì)于地外人造飛行器而言，最大的挑戰(zhàn)是極其炎熱的金星，或許也存在著巨大的機(jī)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巖狀金星表面停留超過 127 分鐘。
▲像“蜻蜓號(hào)”這樣的旋翼飛機(jī)可以由小型核反應(yīng)堆提供動(dòng)力。
這些困難并未阻止科學(xué)家，目前他們計(jì)劃向金星發(fā)射兩架飛行器，一架是太陽能動(dòng)力滑翔機(jī)，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(shè)計(jì)的飛行器，可以在接近金星表面的惡劣環(huán)境中飛行。
美國加州行星科學(xué)研究所高級(jí)科學(xué)家埃爾達(dá)?諾?多布雷亞（Eldar Noe Dobrea）博士說：“開發(fā)設(shè)計(jì)能著陸金星表面的飛行器技術(shù)難度很大，唯一的選擇就是在大氣層中飛行?！?/p>
▲“蜻蜓號(hào)”旋翼飛機(jī)能在土衛(wèi)六自動(dòng)繪制地圖。
特迪?扎內(nèi)托斯（Teddy Tzanetos）是航空飛行小組的機(jī)器人技術(shù)專家，也是“機(jī)智號(hào)”火星直升機(jī)研究小組負(fù)責(zé)人，他正在研究新一代火星直升機(jī)設(shè)計(jì)。他說：“我們知道萊特兄弟設(shè)計(jì)的飛機(jī)完成首次飛行為人類所做的貢獻(xiàn)，我認(rèn)為在其他行星遵循類似的設(shè)計(jì)模式將具有重大意義。”
約翰?霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)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(hào)’是‘機(jī)智號(hào)’首次飛行后的下一個(gè)版本，未來它會(huì)成為首個(gè)將全部科研有效載荷實(shí)現(xiàn)空中運(yùn)輸?shù)娘w行器?！?/p>
像早期極地飛行器一樣，美國宇航局工程師們意識(shí)到飛行器將對(duì)探索地外星球帶來革命性變化，例如：類似“海盜號(hào)”和“好奇”號(hào)火星登陸車、“卡西尼號(hào)”軌道探測器這樣的標(biāo)志性探測器，它們對(duì)探索宜居星球大氣層具有積極貢獻(xiàn)，但未來的飛行器也可能有其他的選擇，機(jī)器人、可操控飛艇、直升機(jī)、無人機(jī)，甚至充氣螺旋槳飛機(jī)等，它們可以快速收集有關(guān)行星表面大片區(qū)域的大量數(shù)據(jù)，避免危險(xiǎn)地形，收集從探測車或者軌道上無法獲得的近距離圖像，并從不同的角度觀察任務(wù)目標(biāo)。
像這樣的飛行器也可以對(duì)探測車無法抵達(dá)的區(qū)域進(jìn)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(huán)境對(duì)飛機(jī)的類型、載荷和飛行能力都具有不同程度的制約，此外，工程師能使用的技術(shù)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(jī)很難在火星表面產(chǎn)生升力?！?/p>
土星 5 號(hào)火箭設(shè)計(jì)者沃納?馮?布勞恩（Wernher von Braun）設(shè)想利用超音速滑翔機(jī)登陸火星，科幻小說作家菲利普?K?迪克（Philip K 。Dick）曾想象人類殖民者乘坐直升機(jī)登上火星。上世紀(jì) 70 年代“海盜號(hào)”探測器登陸火星之后，美國宇航局工程師開始研究火星飛行器概念，現(xiàn)今美國軍方使用的“捕食者”無人機(jī)也具有火星無人機(jī)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(chǎn)生升力，意味著火星直升機(jī)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(guān)功能，例如：鋰離子電池、傳感器和攝像機(jī)，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(yùn)行。扎內(nèi)托斯說：“如果你想解決所有這些挑戰(zhàn)，且建造重量少于 1.8 公斤的飛機(jī)，那么你就擁有了自己的‘機(jī)智號(hào)’。”
他說：“我們的首席工程師和研究團(tuán)隊(duì)成員在 20 世紀(jì) 90 年代就開始研究火星直升機(jī)概念，但當(dāng)時(shí)的技術(shù)還不成熟，直到十年前，關(guān)于火星直升機(jī)的技術(shù)演示初見雛形?！?/p>
同時(shí)，該研究小組還研究了固定機(jī)翼飛行器，但在火星使用旋翼機(jī)更有意義，因?yàn)榛鹦潜砻鏇]有機(jī)場。美國宇航局擁有 9 個(gè)不同的技術(shù)準(zhǔn)備等級(jí)（TRL），從“已被觀察和報(bào)告的基本原理”的 TRL1，到“通過任務(wù)操作的飛行驗(yàn)證”的 TRL9。
上世紀(jì) 90 年代，為“機(jī)智號(hào)”火星直升機(jī)提供動(dòng)力的電池才剛研發(fā)出來，很少有人意識(shí)到碳纖維等新型材料的應(yīng)用潛力，同時(shí)，該飛行器實(shí)現(xiàn)飛行的傳感器、輕量級(jí)飛行器的計(jì)算能力和相應(yīng)算法并不成熟，人類建造該飛行器的技術(shù)和技能也不完善。
特迪?扎內(nèi)托斯說：“我們的主要目標(biāo)是證實(shí)飛行器能在火星上飛行，火星直升機(jī)現(xiàn)已完成 19 次火星飛行！”
20 多年過去了，現(xiàn)今的技術(shù)已日臻完善，現(xiàn)今地球上無人機(jī)可以運(yùn)送包裹和疫苗，并用于觀察農(nóng)作物生長和考古遺址探索，這確實(shí)是所有先進(jìn)技術(shù)在正確的時(shí)間匯集在一起，使“機(jī)智號(hào)”火星直升機(jī)設(shè)計(jì)成為可能。
目前“機(jī)智號(hào)”火星直升機(jī)已通過了測試飛行，并實(shí)現(xiàn)了火星表面飛行，扎內(nèi)托斯說：“我們的主要目標(biāo)是證明我們可以在火星上飛行，現(xiàn)已完成 19 次飛行，我們能對(duì)未來太空探索產(chǎn)生最大的影響就是繼續(xù)放飛‘機(jī)智號(hào)’！”
我們每一次成功完成飛行任務(wù)都能獲得寶貴的工程數(shù)據(jù)，這對(duì)于我們的后代進(jìn)入深入太空探索具有重要意義。
火星惡劣的環(huán)境意味著像“蜻蜓號(hào)”旋翼飛機(jī)需要攜帶美國宇航局強(qiáng)大的核動(dòng)力電池，這是該任務(wù)科學(xué)目標(biāo)所需要的，同時(shí)也需要實(shí)驗(yàn)條件、計(jì)算功能硬件和堅(jiān)硬的著陸滑雪板來應(yīng)對(duì)火星的粗糙表面。
“蜻蜓號(hào)”任務(wù)副首席研究員梅麗莎?G?特雷納（Melissa G Trainer）稱，現(xiàn)有火星地圖并不詳細(xì)，但旋翼飛機(jī)將飛過一個(gè)潛在著陸點(diǎn)，如果測試分析該著陸點(diǎn)無法安全著陸，就會(huì)繼續(xù)飛行，當(dāng)蜻蜓號(hào)飛行時(shí)，會(huì)自動(dòng)繪制土衛(wèi)六地圖，這種跨越方式是風(fēng)險(xiǎn)最小的選擇。
然而，火星在一個(gè)方面比土衛(wèi)六具有更大的優(yōu)勢，特特爾說：“在火星周圍的一些軌道飛行器已持續(xù)工作數(shù)十年時(shí)間，可以為‘機(jī)智號(hào)’進(jìn)行勘測探索，并起到中繼器的作用，‘蜻蜓號(hào)’必須與地球進(jìn)行直接通信，并自行偵察當(dāng)?shù)厍闆r?！?/p>
▲可能需要簡單、更堅(jiān)固的坦克式漫游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(shí)間，“機(jī)智號(hào)”勘測數(shù)據(jù)就能從火星到達(dá)地球，然后研究人員進(jìn)行分析，但對(duì)于土衛(wèi)六，相關(guān)的勘測數(shù)據(jù)傳輸就需要更長的時(shí)間。扎內(nèi)托斯稱，目前研究團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)能攜載更重載荷的旋翼飛機(jī)，適用于未來土衛(wèi)六勘測任務(wù)。
與火星相比，土衛(wèi)六具有相反極端的特征，它是土星的一顆衛(wèi)星，體積與小型行星相當(dāng)，擁有被冰層覆蓋的地殼，但冰殼之下是覆蓋整個(gè)衛(wèi)星的海洋，那里非常寒冷，還下著甲烷雨，部分專家認(rèn)為，船只可以探索土衛(wèi)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(wèi)六環(huán)境非常適合于比空氣重的飛行器進(jìn)行探索，該衛(wèi)星擁有較低重力和稠密大氣層，意味著飛機(jī)和直升機(jī)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(xué)家認(rèn)為，人類探索火星和土衛(wèi)六之后的下一個(gè)目標(biāo)可能是金星，該行星大氣密度相當(dāng)于地球的 90 倍，表面溫度大約 475 攝氏度，大氣壓 93bar，這相當(dāng)于地下海底 1.6 千米深處的壓力。
多布雷亞說：“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(jī)更容易飛行。太陽能飛機(jī)有可能無限期地在這個(gè)高度飛行，而且利用現(xiàn)有太陽能技術(shù)是可能做到這一點(diǎn)的。”
除此之外，可能還有另一種選擇 —— 氣球，多布雷亞的第二個(gè)土衛(wèi)六飛機(jī)概念是在接近水面區(qū)域的飛行器，這將是一個(gè)“巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”，因?yàn)榻咏鎱^(qū)域的溫度較高，缺少太陽光線照射，同時(shí)大氣壓較大。
該飛行器采用一種類似于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的引擎裝置，將接近水面的高溫轉(zhuǎn)化為能量，在較冷、較高的海拔處為飛行器提供動(dòng)力，這將是為數(shù)不多使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器之一。
據(jù)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(lián)“織女號(hào)”探測器發(fā)射了兩個(gè)巨大的球狀氣球進(jìn)入金星大氣層，相關(guān)的勘測儀器懸掛在氣球下方的吊艙中。美國氣球跟蹤項(xiàng)目負(fù)責(zé)人羅伯特？？普雷斯頓（Robert Preston）稱，我們知道這兩個(gè)氣球已釋放抵達(dá)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(xiàn)的都是噪音，但我們還是獲得一個(gè)微弱的信號(hào)。
▲未來的金星飛行器概念是怎樣的呢？科學(xué)家計(jì)劃制造一個(gè)完全機(jī)械的機(jī)器人，一種自主活動(dòng)、蒸汽朋友類型的漫游車，最初設(shè)計(jì)甚至有腿，而不是輪子，該設(shè)計(jì)靈感來自于荷蘭藝術(shù)家西奧？？詹森（Theo Jansen）的巨大風(fēng)力機(jī)械雕像。
“織女號(hào)”氣球漂浮在金星海拔 54 千米的高空，收集了 46 小時(shí)的大氣數(shù)據(jù)，太空歷史學(xué)家杰伊?加倫特?。↗ay Gallentine）說：“當(dāng)人們談及‘織女號(hào)’氣球釋放在金星大氣層時(shí)，通常都認(rèn)為這是‘非?！晒Φ奶杖蝿?wù)?！睋?jù)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。
扎內(nèi)托斯說：“我知道未來科學(xué)家還將研發(fā)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(xué)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?！?/p>
但這可能是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室科技應(yīng)用小組、美國宇航局科學(xué)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，那么就會(huì)認(rèn)為這些天體太不可思議，一些行星的大氣層是由冰構(gòu)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。
扎內(nèi)托斯說：“無論地外天體環(huán)境怎樣，我們在太陽系其他行星上自主駕駛飛機(jī)中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)是人類未來太空飛行的基礎(chǔ)?！睋?jù)悉，紹德正在設(shè)計(jì)一款金星著陸器，目前該著陸器被命名為“極端環(huán)境自動(dòng)探測器（Aree）”，他希望未來有一天它還能探索水星，并漂浮在這顆氣態(tài)巨行星深處，或者適用于勘測地球內(nèi)部。
他指出，在建造金星著陸器時(shí)，極端的環(huán)境意味著我們裝配在飛行器上的許多傳統(tǒng)組件將無法正常工作，大氣壓力能將大氣中的酸物質(zhì)推入飛行器組件中，這意味著它們必須由不銹鋼或者鈦材料制成，避免高溫融化電子產(chǎn)品。
喬納森?紹德說：“我有信心，未來總有一天會(huì)在金星表面發(fā)射探測器！”
紹德的金星飛行器概念是怎樣的呢？他計(jì)劃制造一個(gè)完全機(jī)械的機(jī)器人，一種自主活動(dòng)、蒸汽朋克類型的漫游車，最初設(shè)計(jì)甚至有腿，而不是輪子，其設(shè)計(jì)靈感來自于荷蘭藝術(shù)家西奧?詹森（Theo Jansen）的巨大風(fēng)力機(jī)械雕像。
為了探測和躲避障礙物，該著陸器使用一個(gè)由滾軸和保險(xiǎn)杠組成的系統(tǒng)，它有點(diǎn)兒像兒童玩具，當(dāng)著陸器遇到障礙物時(shí)，就會(huì)倒車，然后略微改變不同的方向前進(jìn)。
紹德說：“它可能不是最有效的，但是它非常穩(wěn)健和可靠，能夠在金星表面展開勘測活動(dòng)?！比欢聦?shí)證明，著陸器要完全擺脫電子組件太難了，新型基礎(chǔ)電子組件能在高溫下工作，用于測量大氣溫度和化學(xué)成分，并將數(shù)據(jù)傳輸給軌道飛行器。
其次是動(dòng)力問題，對(duì)于金星探測器而言，太陽能不是唯一選擇，因?yàn)榻鹦怯泻衩茉茖樱瑢?duì)此美國宇航局工程師建議利用風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)探測器的機(jī)械系統(tǒng)，相機(jī)和化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)則更加棘手，還亟待進(jìn)一步開發(fā)。
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