北京時(shí)間 3 月 7 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，如果用無(wú)人機(jī)開(kāi)展火星探索，探索范圍和速度都將遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)火星車，但設(shè)計(jì)一臺(tái)這樣的無(wú)人機(jī)卻是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
▲ 2021 年 4 月 19 日，一架名為“機(jī)智號(hào)”（Ingenuity）的微型直升機(jī)從火星表面騰空而起，完成了一項(xiàng)足以載入史冊(cè)的壯舉。為了提供足夠的升力，這架無(wú)人駕駛直升機(jī)的馬達(dá)在稀薄的空氣中瘋狂地轉(zhuǎn)動(dòng)，將直升機(jī)提升到了一層樓的高度?！皺C(jī)智號(hào)”在空中懸停了一會(huì)兒，隨后安全著陸，完成了人類在另一顆行星上的首次受控飛行。它降落的區(qū)域名叫“萊特兄弟場(chǎng)”（Wright Brothers Field），以航空業(yè)先驅(qū)萊特兄弟命名。
等到 2035 年左右，一架體積與小轎車相當(dāng)?shù)男盹w機(jī)“蜻蜓號(hào)”將接過(guò)接力棒，在土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六上著陸，開(kāi)展人類在這顆星球上的首次探索任務(wù)。在短短一小時(shí)內(nèi)，“蜻蜓號(hào)”飛行的距離將超過(guò)此前在其它行星上的任何一臺(tái)地面漫游車。這架多旋翼無(wú)人機(jī)將從土衛(wèi)六表面飛過(guò)，然后在表面停留一個(gè)土衛(wèi)六日（相當(dāng)于 16 個(gè)地球日），期間開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)，然后再飛往下一個(gè)目的地，它將成為第一臺(tái)攜帶全部科學(xué)儀器飛來(lái)飛去的航天器。
▲ 與“好奇號(hào)”火星車艱難的探索歷程相比，像“機(jī)智號(hào)”這樣的直升機(jī)或許能以更輕松的方式探索火星。
但對(duì)地外飛行而言，最大的挑戰(zhàn)（也可能是最大的機(jī)遇）莫過(guò)于地獄般熾熱的金星，因?yàn)榻鹦谴髿饧R了極端高溫、高壓和酸性幾大特征。迄今為止，還沒(méi)有一臺(tái)著陸器能在金星表面堅(jiān)持 127 小時(shí)以上。
科學(xué)家計(jì)劃向金星送去兩臺(tái)飛行器。其中一臺(tái)為太陽(yáng)能飛行器，將從金星較為溫和無(wú)害的上層大氣中穿過(guò)；另一臺(tái)則采用了飛翼設(shè)計(jì)，將從接近表面的嚴(yán)酷環(huán)境中飛過(guò)。在金星上降落的技術(shù)研發(fā)起來(lái)十分困難。從大氣中飛過(guò)可能是唯一的替代方案。
NASA 空中移動(dòng)小組機(jī)器人技術(shù)專家、“機(jī)智號(hào)”團(tuán)隊(duì)帶頭人泰迪?薩內(nèi)托斯已經(jīng)在著手設(shè)計(jì)下一代火星直升機(jī)了?！拔覀兌贾廊R特兄弟是如何實(shí)現(xiàn)人類在地球上的第一次飛行的，如今，我們?cè)谄渌行巧弦矔?huì)遵守相同的模式?！?/p>
就像此前的極地航空探測(cè)一樣，工程師們意識(shí)到，飛行器將給我們對(duì)外星球的探索帶來(lái)革命性的變化。如果大氣條件合適，“維京號(hào)”、“好奇號(hào)”等火星著陸器、以及“卡西尼號(hào)”等軌道飛行器將繼續(xù)在外星探索中發(fā)揮關(guān)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(jī)器飛艇、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、甚至還有充氣式螺旋槳飛機(jī)（均由 NASA 科學(xué)家提出），這些都可以在短時(shí)間內(nèi)收集到行星表面大范圍內(nèi)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，同時(shí)還能避開(kāi)各種危險(xiǎn)地形。它們可以拍攝到漫游車或軌道器無(wú)法拍攝的近距離照片，還可以從不同角度觀察任務(wù)目標(biāo)。這些飛行器可以到達(dá)漫游車無(wú)法抵達(dá)之處，比如高山、峰頂、甚至還有金星表面那樣極不宜居的環(huán)境。
▲“蜻蜓號(hào)”可以由小型反應(yīng)堆提供能量。
對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，問(wèn)題在于每顆行星的環(huán)境各有千秋，對(duì)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(shù)局限。
據(jù)土星 5 號(hào)火箭設(shè)計(jì)師韋恩赫爾?馮?布勞恩設(shè)想，在火星上降落可以以超音速滑翔機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)?？苹眯≌f(shuō)作家菲利普?迪克猜想，人類可以借助直升機(jī)實(shí)現(xiàn)火星殖民。工程師們則從上世紀(jì) 70 年代“維京號(hào)”登陸火星后就展開(kāi)了火星飛行器的概念設(shè)計(jì)，其中有些功能用在了如今美國(guó)軍方的“捕食者號(hào)”無(wú)人機(jī)上。
火星大氣密度只有地球的 1%，因此飛行器難以產(chǎn)生升力。這就意味著，火星直升機(jī)自重必須非常輕，但又要能攜帶鋰電池、傳感器和攝像機(jī)，還要具有隔熱和保溫功能、以度過(guò)火星上的冰冷長(zhǎng)夜。只要攻克了這些挑戰(zhàn)，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(jī)智號(hào)”。工程師從 90 年代就開(kāi)始研究火星直升機(jī)了，但技術(shù)條件一直不具備。不過(guò)從 2010 年開(kāi)始，研究進(jìn)展開(kāi)始加速，最后成功實(shí)現(xiàn)了技術(shù)論證。
工程師們其實(shí)還考察了固定翼飛行器，但火星上沒(méi)有機(jī)場(chǎng)，因此直升機(jī)更為合適。
上世紀(jì) 90 年代，“機(jī)智號(hào)”所需的電池才剛剛被發(fā)明出來(lái)，碳纖維的潛力也尚未被人發(fā)掘。此外，傳感器、超輕計(jì)算機(jī)和飛行算法也遠(yuǎn)不夠成熟，人類更是還不具備打造和操控這類設(shè)備的能力。如今 20 多年過(guò)去，情況已大為不同。在今天的地球上，無(wú)人機(jī)不僅被用來(lái)運(yùn)送包裹和疫苗，還常用于考察糧食作物和考古遺跡。這些技術(shù)全都在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間湊到了一起，“機(jī)智號(hào)”才得以問(wèn)世。
“機(jī)智號(hào)”已經(jīng)完成了數(shù)次試飛，目前仍在執(zhí)行飛行任務(wù)。這樣做主要是為了證明可以在火星上飛行，并且已經(jīng)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(shù)據(jù)。
土衛(wèi)六的情況則與火星恰好相反，走向了另一個(gè)極端。土衛(wèi)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(huì)下“甲烷雨”。有科學(xué)家提出，我們可以用船只探索土衛(wèi)六表面，用潛水艇探索其地下海，用飛艇探測(cè)大氣層。
土衛(wèi)六的環(huán)境非常特殊，很適合用比空氣重的飛行器開(kāi)展探索。土衛(wèi)六上引力較小、且大氣稠密，意味著飛機(jī)和直升機(jī)的體型可以做得更大，攜帶的荷載也可以更重，能實(shí)現(xiàn)的功能也比在火星上豐富。土衛(wèi)六的特殊環(huán)境意味著，像“蜻蜓號(hào)”這樣的旋翼飛行器可以攜帶強(qiáng)大的核電池、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、計(jì)算機(jī)硬件、以及強(qiáng)韌的滑撬式起落架。
▲“蜻蜓號(hào)”將在飛越土衛(wèi)六表面的過(guò)程中自行繪制地圖。
目前我們掌握的土衛(wèi)六地圖還不夠詳細(xì)，但“蜻蜓號(hào)”會(huì)在飛近著陸點(diǎn)時(shí)判斷形勢(shì)，若無(wú)法安全著陸，就接著飛往下一個(gè)著落點(diǎn)。“蜻蜓號(hào)”會(huì)在飛行過(guò)程中繪制自己的地圖，采用這種著陸方法的風(fēng)險(xiǎn)最小。
不過(guò)在這一點(diǎn)上，火星的優(yōu)勢(shì)就勝過(guò)土衛(wèi)六了。各種軌道探測(cè)器已經(jīng)圍繞火星飛行了數(shù)十載，足以擔(dān)當(dāng)“機(jī)智號(hào)”的偵察兵，還可以擔(dān)任通信中繼器。而“蜻蜓號(hào)”就只能直接與地球進(jìn)行通訊，還得親自勘測(cè)地形。
數(shù)據(jù)從火星傳回地球只需不到一天時(shí)間，而從土衛(wèi)六傳回地球，耗時(shí)就要長(zhǎng)得多了。
繼土衛(wèi)六之后，我們的下一個(gè)目標(biāo)可能是地球的“姐妹”—— 金星。金星的大氣密度高達(dá)地球的 90 倍，表面溫度約為 475 攝氏度，氣壓約 93bar，相當(dāng)于地球海面下方 1.6 公里處的壓強(qiáng)。
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云層，厚度接近 20 公里，最高處可達(dá)地表上方 70 公里，比地球大氣稠密得多。在這個(gè)高度上，太陽(yáng)能航天器應(yīng)該能在其中飛行，并且借助現(xiàn)有技術(shù)便可做到。
在金星飛行器的概念設(shè)計(jì)中，還將有一架更貼近表面的飛行器，不過(guò)這將是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。這架飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)類似于“斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)”，可以將金星表面處的極端高溫轉(zhuǎn)化為能量、等到?jīng)鏊母呖帐褂?。目前采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)還寥寥無(wú)幾，若能成功，它也將成為其中之一。
不過(guò)我們也許還有另一個(gè)選擇 —— 氣球。
正是氣球幫我們實(shí)現(xiàn)了人類在外星球上的首次“飛行”。1985 年 6 月，蘇聯(lián)與歐洲合作開(kāi)展的“維加計(jì)劃”向金星大氣中投放了兩個(gè)巨大的氣球，探測(cè)儀器放置在氣球下方的吊籃里。
“我們當(dāng)時(shí)只知道釋放了兩個(gè)氣球，但不清楚它們是否還安好?！泵绹?guó)對(duì)這兩個(gè)氣球開(kāi)展的追蹤項(xiàng)目帶頭人羅伯特?普雷斯頓指出，“一開(kāi)始，我們?cè)谑静ㄆ辽铣嗽胍羰裁炊伎床坏?。直到有一天，屏幕上突然出現(xiàn)了一個(gè)微弱的信號(hào)。我記得自己當(dāng)時(shí)離開(kāi)控制室、來(lái)到室外，看到金星在清早的天空中閃閃發(fā)光，心里忍不住想：‘我登上金星了?！边@兩個(gè)氣球飄浮在海拔約 54 公里處，共收集了 46 個(gè)小時(shí)的大氣數(shù)據(jù)，這次任務(wù)可以說(shuō)是極其成功。
系外行星的情況會(huì)更加瘋狂，有的行星可能完全由冰構(gòu)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(shù)，不管送去什么都會(huì)被徹底摧毀。不過(guò)除此之外，也有一些行星與地球頗為相似。無(wú)論這些行星系的環(huán)境如何，用到的物理原理都是相同的，我們從太陽(yáng)系中學(xué)到的飛行經(jīng)驗(yàn)將為未來(lái)的星際探索奠定良好的基礎(chǔ)。
▲ 這款金星著陸器使用的電子元件雖然簡(jiǎn)單、卻很耐用，可以經(jīng)受金星表面的高溫高壓環(huán)境。
工程師目前正在設(shè)計(jì)一款可以在金星上存活的著陸器，其中用到的物理機(jī)制有朝一日或可用來(lái)打造水星著陸器、深入氣態(tài)巨行星內(nèi)部的探測(cè)器、以及地心探索設(shè)備。金星上的環(huán)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(tǒng)部件都不適用。
金星的巨大壓強(qiáng)會(huì)使大氣層中的酸性物質(zhì)深深滲入探測(cè)器部件中，意味著這些部件必須由不銹鋼或鈦金屬制成。而極端高壓則足以使電子器件融化。那么，解決方案是什么呢？最初版設(shè)計(jì)采用的甚至不是輪子、而是腿，其靈感來(lái)自荷蘭設(shè)計(jì)師泰奧?楊森設(shè)計(jì)的“仿生獸”（Strandbeest）系列機(jī)械雕塑。為探測(cè)和躲避障礙物，其采用的設(shè)計(jì)有點(diǎn)類似小孩玩的“碰碰車”，一旦撞到障礙物就會(huì)回退，然后稍微變個(gè)方向、繼續(xù)前進(jìn)，這種方法也許效率不夠高，但很可靠，也很適合金星環(huán)境。
▲ NASA 這款概念設(shè)計(jì)靈感來(lái)自荷蘭設(shè)計(jì)師泰奧?楊森設(shè)計(jì)的“仿生獸”（Strandbeest）系列機(jī)械雕塑。
▲ 在探索太陽(yáng)系中條件較為嚴(yán)苛的行星時(shí)，也許要借助這種簡(jiǎn)單、耐用、坦克般的漫游車才行。
但事實(shí)證明，不用任何電子元件幾乎是不可能的。最終設(shè)計(jì)選用了耐高溫的基礎(chǔ)電子元件，用于測(cè)量大氣溫度和化學(xué)組成、以及將數(shù)據(jù)發(fā)送給軌道飛行器。
然后還有供能的問(wèn)題。金星表面的云層過(guò)于稠密，且夜晚時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 60 天，因此太陽(yáng)能顯然不可行。NASA 工程師計(jì)劃借金星表面的風(fēng)直接驅(qū)動(dòng)漫游車的機(jī)械系統(tǒng)。除此之外，攝像機(jī)和化學(xué)傳感器的問(wèn)題更為棘手，還在進(jìn)一步研發(fā)中。
這架探測(cè)器能夠真正降落在金星上的機(jī)會(huì)其實(shí)微乎其微，但很有可能對(duì)未來(lái)金星探測(cè)器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。相信我們有朝一日終會(huì)將探測(cè)器送上金星表面，而從如今這款探測(cè)器架構(gòu)中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)很有可能影響到它們的設(shè)計(jì)。
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