火星無人機:永遠不會在地球上飛行的飛機

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2021年4月19日,一架名為「機智號」(Ingenuity)的小型實驗無人機從火星地面起飛,這被載入史冊。這台自動飛行器的螺旋槳在稀薄的大氣中快速旋轉,以產生足夠的升力,將飛行器推到一層樓的高度。「機智號」在空中盤旋幾圈,然後安全著陸,實現了人類在另一個星球上的首次遙控飛行。它降落的地點以航空先驅的名字命名,稱為萊特兄弟機場(Wright Brothers Field)。

設想,在21世紀30年代中期,一架小型汽車大小的旋翼飛機「蜻蜓」(Dragonfly)將此技術進一步提升。它將登陸土星最大的衛星土衛六(Titan),開始人類對其首次探索。一小時後,「蜻蜓號」將會飛得比任何其他星球表面探測器都要遠。這架多旋翼無人機將飛越土衛六的表面,將在土衛六著陸一天(相當於16個地球日)進行實驗,然後飛到下一個目的地。

但對於外星航空器來說,最大的挑戰,或許也是最大的機遇,應是極其炎熱的金星。金星有著極高的溫度、壓力和酸性大氣。沒有任何登陸裝置能在其龜裂的板狀表面存活超過127分鐘。

科學家們計劃向金星發射兩種飛行器。一種是太陽能動力的滑翔機,它可以在金星較為溫和的上層大氣中無限期地飛行;另一種是飛行翼設計,可以在接近金星地表的惡劣環境中飛行。

「開發登陸金星的技術是困難的,」加州行星科學研究所(Planetary Science Institute, California)的高級科學家埃爾達·諾·多布雷亞博士(Eldar Noe Dobrea)說,他正在進行金星任務的概念設計。「唯一的辦法就是飛越金星大氣層。」

特迪·扎內托斯(Teddy Tzanetos)是空中移動小組(Aerial Mobility Group)的機器人技術專家,也是「機智號」火星飛行探測器的團隊負責人,他已經在研究下一代火星飛行探測器。他說,「我們知道萊特兄弟的首次飛行對地球人類意味著什麼,我認為我們將在其他星球上遵循同樣的模式。」

約翰·霍普金斯應用物理實驗室(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)的首席研究員伊麗莎白·子比·特圖(Elizabeth "Zibi" Turtle)說,「我從來沒有想過這樣的類比,但『蜻蜓』是『機智號』首次飛行後接下來的一步。這將是第一個將全部科研裝備從一個地方帶到另一個地方的(空中)飛行器。」

"好奇號"和"機智號"
不同於"好奇號"探測器艱苦旅程,像"機智號"這樣的小型直升機(右)嘗試了另一種探索外星的方式(Credit: Devromb/Getty Images)

像早期的極地航空探索先驅一樣,美國國家航空航天局(Nasa)的工程師們意識到飛行器可以給探索新世界帶來革命性的變化。標誌性的機器,如火星登陸器「海盜號」(Viking)和「好奇號」(Curiosity),以及軌道飛行器,如土衛六的「卡西尼號」(Cassini),將繼續在探索中發揮關鍵作用。如果有合適的大氣層,也可能有其他選擇。機器人和可遙控的飛艇、直升機、無人駕駛飛機,甚至充氣螺旋槳飛機,都是美國宇航局科學家的設想,它們可以快速收集行星表面大片區域的高質量數據,避開危險地形,獲取太空軌道上無法獲得的近距離圖像,並從不同的角度觀察目標。這樣的飛行器也可以到達登陸車無法到達的地方——山脈、山峰,甚至是無法登陸的金星表面。

美國宇航局的工程師們面臨的問題是,每個星球的環境對飛機的類型、載荷能力都有不同的限制,目前工程師可使用的技術也存在類似的限制。

土星五號火箭的設計者沃納·馮·布勞恩(Wernher von Braun)設想用高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)想象人類乘坐直升機登上火星。在上世紀70年代的海盜號登陸器之後,美國宇航局的工程師們開始研究火星飛行器的概念,如今美國軍方使用的「捕食者」(Predator)無人機的特點最終也體現在了火星飛行器上。

在火星上,大氣濃度不到地球的1%,這使得飛機很難產生升力。這就意味著一架火星直升機必須非常輕,但仍然能夠承載鋰離子電池、傳感器和攝像機,以及保溫和絶緣材料,以保證它能在火星寒冷的夜晚可正常工作。扎內托斯說,「如果你能解決所有這些挑戰,並建造一架重量小於1.8公斤(4磅)的飛機,那麼就有可能。」

他說,「我們的首席工程師和團隊在20世紀90年代就開始研究火星直升機的想法,但當時技術還不成熟。快進到2010年代,對於一個技術模型來說,它變得可能。」

該團隊還研究了固定翼飛機,但在火星上使用旋翼飛機更有意義,因為沒有機場。

宇航局有9個不同的技術成熟度級別,從「基本原理」的1級,到通過任務操作「飛行驗證」的9級。

上世紀90年代,為「機智號」提供動力的電池剛剛開發出來,很少有人意識到碳纖維等材料的潛力。同樣地,用于飛行器飛行的傳感器、計算能力和算法還不夠成熟。人類建造和操控它們的技能也都不具備。

20多年過去了,技術日新月異。今天,在地球上,無人機廣泛用於運送包裹和疫苗,以及調查農作物和考古遺址。扎內托斯說,「這確實是所有這些技術在正確的時間匯聚在一起,使匠心設計成為可能。」

「機智號」完成了試飛,目前仍在飛行。扎內托斯說,「我們的主要目標是證明我們可以在火星上飛行,我們做了19次飛行。我們能對未來產生的最大影響是繼續試飛機智號。」

「我們成功完成的每一次飛行都提供了寶貴的工程數據,對以後的研發將是至關重要的。」

扎內托斯說,該團隊還在設計能夠在更長的距離上承載更重載荷的旋翼飛機。「我們想給宇航局更多的解決方案。」

土衛六是火星的另一個極端。土星的這顆衛星,有行星大小,表面地殼被冰覆蓋,下面是覆蓋整個行星的海洋。那裏非常寒冷,還下著甲烷雨。有人提出,船可以探索表面,潛艇可以在海洋航行,飛行器可以在大氣層飛行。

「土衛六的環境非常適合使用較重的飛行器進行探索,」蜻蜓號任務的副首席研究員梅麗莎·G·特雷納(Melissa G Trainer)說。它有低重力和稠密的大氣層,這意味著飛機和直升機可以更大的尺寸,攜帶更重的載荷,比在火星這樣的行星上有更大的能力。

土衛六的環境意味著像蜻蜓號這樣的旋翼飛機可以攜帶強大的核電池,這是科學任務所需要的,因為電腦硬件和應對粗糙的地面所需的堅硬著陸板都頗具重量。

現有的地圖不夠詳細,但旋翼機將檢查可能的著陸點,如果不安全,就繼續飛行。「當蜻蜓號飛行時,它會自己繪製土衛六的地圖,」特雷納說。「這種跨越式的方式是風險最小的選擇。」

然而,火星在一個方面比土衛六更有優勢。「在火星周圍的一整套軌道飛行器已經在那裏呆了幾十年,可以為『機智號』做探測,並起到中繼站的作用,」特圖說。「蜻蜓號必須與地球進行直接通信,並自行勘察當地情況。」

不到一天的時間,數據就從火星到達地球,進行分析,將「機智號」的信息發回地球。在土衛六上,這需要更長的時間。

之後的空中考察可能是去地球的姐妹行星金星。這顆行星的大氣密度是地球的90倍。它的溫度約為475攝氏度(900F),壓力為93巴(1350磅),相當於地球海洋下一英里的深度。

「金星的大氣層很糟糕,但也很好,」多布雷亞說。「那裏有一層20公里(12英里)厚的巨大雲層,從離地面50公里(30英里)到70公里(45英里),比地球的大氣層密度更大,更容易飛行。太陽能飛機應該有可能無限期地在這個高度飛行,而且利用現有技術是有可能做到這一點的。」

他的第二架概念飛機將在接近水面的地方飛行。這是一個「巨大的挑戰」,他補充說,由於極端的高溫,太陽能缺乏陽光,以及壓力。

這架飛機使用一個類似斯特林的引擎(Stirling engine),將接近地表的高溫轉化為能量,在較冷、較高的海拔為飛機提供動力。使用這種引擎的飛機為數不多。

可能還有另一種選擇——氣球。

這是人類首次在外星世界飛行的氣球。1985年6月,蘇聯-歐洲的織女星運載火箭(Soviet-European Vega mission)發射了兩個巨大的氣球進入金星大氣層,儀器掛在氣球下面。

「我們知道這兩個氣球已經解除任務,但我們不知道它們是否還在,」美國跟蹤氣球項目的負責人羅伯特·普雷斯頓)(Robert Preston)表示。「我們在示波器屏幕上看到的都是噪音,除了噪音什麼都沒有。然後有一個微弱的信號。」

「我記得我離開控制室,看到金星在清晨的天空中明亮,我想:『在那裏。』」

織女星氣球持續漂浮在大約54公里(33英里)的高度,收集了46小時的大氣數據。「織女星氣球非常'成功,」傑·加侖廷(Jay Gallentine)說,他是空間歷史學家,也是《來自地球的大使:用無人飛船開拓探索》(Ambassadors from Earth: Pioneering Explorations with Unmanned Spacecraft)一書的作者。

扎內托斯說,「我知道未來我們還會有飛行器登臨火星,我們正在為工具箱添加一種新工具。我們所學到的一切將幫助下一代不僅探索火星,還探索其他太陽系的行星。」

但這可能是一個更大的挑戰,來自噴氣推進實驗室技術注入小組(JPL Technology Infusion Group)的美國宇航局科學家喬納森·紹德(Jonathan Sauder)警告說,「如果你開始觀察太陽系外的行星,那麼它就會開始變得非常瘋狂。有些行星是由冰構成的,或者大氣中有金屬。如果不徹底摧毀它們,我們就無法發射飛行器任何已知的行星,但也有其他行星更像地球。」

無論環境如何,無論人類探索的是哪個星系,物理都是一樣的。扎內托斯說,「我們從在太陽系其他行星上自動飛行器中學到的經驗是人類未來飛行方式的基礎。」

紹德正在設計一種可以在金星上生存的著陸器,他稱之為「極端環境自動漫遊者」(Automaton Rover for Extreme Environments)的機制。這可能有一天會被用在水星登陸器、漂浮在這顆氣態巨行星深處的探測器,以及探測地球內部的機器中被發現。

他說,「在建造金星著陸器時,極端的環境意味著我們放置在航天器上的許多傳統組件將不起作用。」

壓力將大氣中的酸推入組件中,這意味著它們必須由不鏽鋼或鈦製成。高溫也會融化電子產品。

紹德的解決方案是一個完全機械的機器人,一個蒸汽朋克漫遊者。「最初的設計甚至有腿,而不是輪子,靈感來自荷蘭藝術家西奧·詹森(Theo Jansen)的巨大風力機械雕塑,或稱「風力仿生獸」(strandbeests)。

為了探測和躲避障礙物,著陸器使用了一個由滾軸和保險杠組成的系統,就像一個兒童玩具,當著陸器遇到障礙物時,它會倒車,然後再朝略微不同的方向前進。

「它可能不是最有效的,但在那種環境下工作,是穩健和可靠的。」

然而,事實證明,要避免使用電子原件太難了。取而代之的是,能夠在高溫下工作的基本電子設備被用來測量溫度和化學成分,並將數據傳輸給軌道飛行器。因此,「火星車」不得不被重新命名為「火星漫遊者」(Hybrid Automaton Rover-Venus)

其次是動力。太陽能不行,因為金星有厚厚的雲層和相當於60天長的夜晚。相反,宇航局的工程師們利用風來直接驅動探測器的機械系統。相機和化學傳感器則更加棘手,還有待開發。

火星漫遊者著陸在金星上的可能性還很小,但任何一個設計可能會增加這種可能。

紹德說,「我有信心,總有一天漫遊者登陸金星表面,從火星漫遊者架構中學到的經驗將影響這些設計。」

馬克·派星,航空自由撰稿人,著有《N-4降落:尋找意大利北極飛艇》(N-4 Down: The Hunt for the Arctic Airship Italia)一書。

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