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人类首架地球之外星球上飞行的飞行器即将诞生

时间:2018-05-18 14:34 编辑:励志侠

(原标题:脑洞大开!人类首架地球之外星球上飞行的飞行器即将诞生)

人类首架地球之外星球上飞行的飞行器即将诞生

【环球网军事报道】美国宇航局喷气推进实验室证实,火星无人直升机将跟随“火星2020探测车”发射至火星表面,执行飞行任务,对火星进行考察。根据美国大众机械网5月16日的报道,在火星上飞行虽不容易——那里空气稀薄,表面平均大气压力约为6毫巴(0.09磅/平方英寸),不到地球海平面气压的0.06%,然而,喷气推进实验室依然坚持要实现让直升机在那颗红色星球上飞行的愿望。

在火星上升空的挑战

报道称,美国宇航局估计,小型飞行器在火星的空中能停留大约90秒,但仅仅那一分半钟的升空,也挑战着现代电子和材料科学的极限。

旋翼飞机在稀薄的空气中实现升空的主要方法是快速旋转桨叶。根据着陆点的大气密度,火星直升机的旋翼桨叶将以每分钟2300到2800转的速度旋转,这比直升机的平均旋翼转速要快5至10倍。

快速旋转桨叶需要强劲的动力。火星直升机的动力传动系统将由八台电机驱动,其中一台无刷直流电机用于旋转两个旋翼,三台有刷直流电机用于驱动每个旋翼的旋转斜板,控制旋翼桨叶的运动。每台电机的直径只有大约两英寸,但都无所不用其极。

据喷气推进实验室火星直升机项目负责人Mimi Aung透露,火星直升机的电机非常高效,它们经过专门设计,算法严谨。整个设计考虑了火星特有的环境。两个1.2米大小、拥有两片桨叶的旋翼相互逆向旋转,可相互有效地抵消扭力。由于顶部旋翼产生的气流增加,反向旋转系统的效率也提高了大约10%。

报道称,除动力或旋翼效率外,要使直升机在火星上升空,还要尽可能减轻机身重量。

由于火星上引力较小(约为地球引力的38%),火星直升机上可以安装多一些部件。但即便如此,整架直升机的重量也不得超过1.8公斤(4磅)。为了减轻重量,喷气推进实验室采用碳素纤维来制造主要结构部件,比如碳质旋翼中的泡沫芯和炭管着陆腿(foam cores and carbon tube landing legs)。

人类首架地球之外星球上飞行的飞行器即将诞生

报道援引Aung的话说,对于机身的其他部件,美国宇航局利用了“在15年前还不存在的轻型商用现成组件方面的优势”。传感器、摄像头和计算机芯片组件——这些手机上常见的电子部件已在高辐射环境下进行过测试,确保它们在火星上也能运转。

占据直升机大部分重量的六芯锂离子电池组具有高达510瓦的峰值功率容量。电子设备将安装在飞行器的机身内,加上热涂层和加热器,这些电子设备得以在火星上寒冷的夜晚保持温度。火星直升机将利用安装在顶部旋翼上方的太阳能电池板作为电力来源。Aung表示,在10年或15年前,太阳能电池板技术还无法使在火星上飞行成为可能。

报道称,火星直升机的第一次飞行在喷气推进实验室一座模拟火星环境的压力舱内的一个1/3比例的验证机上进行,项目团队证明了在火星稀薄的空气中升空的可能性。然而升空后涉及的工作比这更具挑战性。

直升机的飞行需要靠它自己

Aung表示,由于距离太远,从地球远程操纵直升机是不可能的。即使在光速下,也需要4到24分钟才能接收到来自火星的无线电信号。而飞行器必须在那个时间段内就完成起飞和着陆,因此,火星直升机需要靠它自己实现飞行。

在地球上,自动飞行相对来说是一项新兴技术。但到了火星上则需要回归基本原理。报道援引Aung的分析说,一片桨叶在稀薄的空气中运动涉及动力学和飞行器反应的方式。桨叶撞击空气时,飞行器起反应,继而移动——这其中的动力行为在火星上不同于在非常厚的大气中的情况。

报道称,为了让事情简单一点,火星直升机将只在风力很小的平静环境中飞行。但即便如此,在外星环境中控制飞行还是一个重大的挑战。为了建立自动飞行控制系统,喷气推进实验室应用计算流体动力学虚拟模拟火星大气层,观察旋翼结构的横截面以了解其行为。这些模型的数据被输入火星直升机的飞行控制计算机内,使飞行器能够回应稀薄的大气对旋翼性能的影响。

由于从来没有人为火星造过直升机,所以如何测试火星直升机也是一个问题。报道称,美国宇航局制造了一个全尺寸的样机在压力舱内进行测试。除了将大气压力降低到火星水平,喷气推进实验室还将二氧化碳输进压力舱内,模拟火星空气的成分,即95%的CO2。

喷气推进实验室的工程师制造了第三台样机,证明所有电子元件、飞行控制装置、旋翼部件和机身结构实际上可以装入一架1.8千克的飞行器内,接着再移除样机中的一些部件以减轻重量,模拟火星上减小的引力环境,然后一次又一次地进行飞行测试。

报道称,即使通过所有这些测试之后,无人直升机是否能在火星上飞行的问题,还是只能在它真正抵达火星时才能得到解答。因为真实的表现最终怎么样是未知的。现在火星直升机只是一个技术验证机, 是追随于“火星2020探测车”的任务。如果它完全失败,也不会影响美国宇航局的旗舰型火星任务。

人类首架地球之外星球上飞行的飞行器即将诞生

在其他世界的天空中翱翔

报道称,喷气推动实验室正在设计最后的火星直升机。它将在未来两年内,也就是2020年夏季发射升空前,完成制造和测试。“火星2020探测车”将把直升机捆绑在它的引擎导流板上,在长达六个月的太空飞行后抵达火星。它将采用与绰号为“空中吊车”的好奇号火星车相同的推进式进入、下降和着陆(EDL)系统。

部署火星直升机后,“火星2020探测车”将在未来几年里研究火星的地理环境。但对于直升机,任务将即刻启动。任务团队计划在30个火星日的(Martian day)测试窗口内飞行至少5次,逐渐加长飞行时间,最终实现90秒内在火星的天空中巡航几百米。

报道称,第一次飞行中,这架小型直升机将在3米高的地方盘旋30秒,成为首架在地球之外的星球上飞行的飞行器。

如果火星直升机真的升空了,它将会在未来产生很深远的影响。在外星中开发空中旅行将给外星探索增加一个空间维度。外星上的飞行器可以比轨道卫星更详细地勘测星球的表面,也可以到达该星球悬崖、火山、洞穴等探测车和人类都难以接近的地方。

报道称,科学家们已在探讨将旋翼飞行器送到土星的卫星“泰坦”上,从而提供那个神秘世界的鸟瞰视图。“泰坦”空气较厚,在上面飞行比在空气稀薄的火星上飞行要容易得多。

报道最后援引了飞机的发明者莱特兄弟曾经说过的话:“飞行的欲望是我们的祖先流传给我们的,他们在史前时代艰难地穿越在没有道路的土地上时,非常羡慕那些在空中自由飞翔的鸟类——它们越过一切障碍,在空中无垠的高速公路上全速飞行。”

报道表示,现在是时候把这种飞行的欲望放眼于地球之外了——从外星的尘埃中升起,在其他世界的天空中翱翔。(梁连芬翻译整理)

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