为什么有人认为无人机是太空探索的未来?

2021年2月,美国宇航局(NASA)的毅力火星车成功登陆火星的杰泽罗陨石坑,并给我们发来两段来自火星的录音。而就在昨天下午(北京时间4月19日15点30分左右),搭乘毅力号一同奔火的机智号火星直升机在杰泽罗坑完成首飞。机智号在6秒内爬升至距坑面3米的高度,并盘旋于空中30秒,随后缓慢下降并着陆;飞行全过程持续了39.1秒。数十米开外的毅力号通过相机和麦克风录制下了人类飞行器在其他星球的首次动力受控飞行机智号项目的首席工程师、来自NASA喷气推进实验室(JPL)的米米 昂(MiMi Aung)在此次任务开始前便对媒体表示,这架仅1.8公斤重的双旋翼飞行器能先于漫游车,甚至替代宇航员,去探索他们都难以涉足的外星区域(例如峡谷、洞穴或陨石坑),它或许就是未来地外探索无人机的先驱。翻看NASA官方的介绍,我们可以看到机智号重1.8公斤,高0.5米,有4条细长的支撑腿,采用共轴反转双旋翼设计,由碳纤维制成的螺旋桨叶长1.2米,驱动电机的功率达350瓦,有一块太阳能板负责供电。在火星上起飞首先要克服稀薄空气这一难点。仅0.6千帕的火星表面平均气压意味着同等转速的旋翼所获得的升力要比地球上的小得多。(要知道地球上的标准大气压为101.3千帕,0.6千帕是海拔16千米处的气压。而地球上的直升飞机的最大飞行高度是12.4千米。)因此项目组通过动力学设计赋予了机智号每分钟2400转的转速(地球上每分钟280转就够用了),进而得到了足够升力——数据显示其水平移动速度达10米/秒,爬升速度为3米/秒,足以在火星车着陆区域附近进行空中侦察。在正式开展任务前,JPL的研究人员将此设计放入模拟火星环境的真空室内测试,最终得到了理想结果:最大飞行距离300米,最大飞行高度5米。而在NASA官方的介绍中,机智号每次的最长飞行时间为90秒,最大移动距离50米,最大飞行高度5米。第二大难点则在于火星表面的寒冷环境。动辄-90°C的低温对于机智号的零部件来说是极限。研究团队需要在前期设计上动足脑筋,让它具备在极寒环境下自主维持温暖的能力。另一方面,喷气推进实验室里的研究人员与火星上的无人机之间相距数亿公里,飞行数据经由NASA的火星轨道卫星和深空网络而传递。巨大的通讯延迟迫使JPL的研究团队开发自动控制飞行算法,把飞行决定权交给机智号自己——它可自行决定如何飞往下一站,怎样将自身温暖维持在安全水平。用帝国理工学院的地质学家、毅力号任务的战略规划师桑吉维·古普塔(Sanjeev Gupta)教授的话说:“显然火星有时间延迟,因此机智号的飞行完全自主完成。在对漫游车的指挥过程中,我们所做的其实是计划第二天的活动。控制器并无真正意义上的控制作用,而是根据机智号内部已经存有的代码编写计算机命令。它就像智能手机一样工作。我们上传参数,然后事情就搞定了。”古普塔还指出:“我一直都在用无人机开展研究工作。近几年来,它们变得足够轻且小,可被应用于更多用途。作为地质学家,你能使用它查看岩层,研究景观。无人机可以拍摄图像,进行更大规模的勘测侦察,获取常规情况下难以涉足区域的图像。”对于像毅力号这样的漫游车来说,随行的无人机就像一个安全顾问。用古普塔的话说:“漫游车的行动选择很有限。如果前方路上有一座小山,我们或许就看不到,而无人机则往往能侦察到它改变游戏规则是为了消除其中的一些限制,它提高了探索工作的效率。”如前文提到的,机智号是地外无人机的开端,未来必将出现更具想象力的探索者。实际上,NASA已经在设计规模更大的无人机蜻蜓号(Dragonfly),并计划于2027年搭载火箭奔赴土星最大的卫星土卫六(Titan,又称泰坦星)的航线——预计到2036年,蜻蜓号才能飞抵目的地。届时随同蜻蜓的旋翼无人机也将开启寻找外星生命迹象的旅程。艺术家创作的蜻蜓号图像古普塔表示:“我们在其他行星上所做的第一门科学永远是地质学,研究岩石形成,寻找生命证据,无人机技术能在其中发挥重大作用。”蜻蜓号的登陆区域将是土卫六(泰坦星)赤道区域的“香格里拉”(Shangri-La)。拥有8个旋翼桨叶的它将降落于香格里拉的神秘沙丘,然后到访数个目标区域寻找生命形态,其任务所覆盖的距离几乎为火星漫游者的2倍。

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