无人机如何探索土卫六?顺利的话七年后见分晓

2018-01-11 12:58:00 踢围 分享
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  去年 12 月 NASA 宣布了两项将于本世纪 20 年代中期发射的关于机器人任务的终极设想。第一个是彗星天体生物学探索样本返回(CAESAR),它会将一个相当传统的航天器发送到彗星上,获取其核的一大块带回地球。第二个是来自约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的 Dragonfly 无人机,它能像一个行星探测器一样工作,只不过它不是像以往那些探测器一样行驶在地面,而是飞行。

  我们已经看到无人机可以做令人惊奇的事情,不过也有很多无人机在尝试做令人惊叹的事情时出现了非常糟糕的情况。将一个完全自主的无人机送到超过 10 亿公里外的外星世界,并期望它在没有任何人类干预的情况下飞行几年,这是非常有野心的,所以今天来看看 APL 到底在做些什么。

 

  环绕土星运行的土卫六 Titan 是一个吸引人的地方,因为在某些重要的方面它更像地球,而不是太阳系的其他地方。那里有点冷,平均地表温度只有 94 开尔文,比地球厚 4 倍的大气由氮气和甲烷构成,有着七分之一的地球引力。Titan 有趣之处在于它的甲烷循环很像地球的水循环,液态甲烷形成湖泊、河流、云和雨。还有一堆有机化合物被扔进了混合物中,这使它成为一个有趣的地方,可以寻找到非常原始的奇怪的生活。

  卡西尼号在土星上的任务包括一个叫做 Huygens 的小探测器,它于 2005 年 1 月在 Titan 上降落。Huygens 大部分都是基于大气条件设计的,但它成功地在 Titan 的表面着陆了一个多小时,并发回了表面的照片。

  当考虑到如何探索 Titan 的表面时,奇异特性开辟了许多创造性的选择,而不是像火星那样。Titan 的低重力和高大气密度有利于飞行,这将使探索机器人比固定着陆器或漫游者更快地访问更多的科学兴趣点。过去,美国宇航局曾考虑过直升机、热气球和飞机之类的东西,但在过去的十年里,多旋翼无人机已经成为可操纵和可靠的机器人飞行的标准。根据 APL 的说法,Titan 实际上是「太阳系中最容易飞的四轴飞行器」。

  Dragonfly 是以一个 300 公斤级的八角器设计为基础的,这是种有发动机和螺旋桨的四轴飞行器。严格地说,具有八个独立螺旋桨的传统八角器将更有效。但 Dragonfly 必须安装在高超声速飞行器内部,以便输送到 Titan,而八角器的空间效率更高,同时保持大量的冗余。

 

  Dragonfly 体积如此庞大的原因是它需要带上自己的电源。Titan 离太阳太远了,所以 Dragonfly 将依靠与好奇探测车在火星上使用的同样的动力系统:一个放射性同位素热电发生器 (RTG) ,它将钚-238 产生的热量转化为电能。RTGs 可以运行几十年,对于深空飞行任务尤其有用,因为它们所产生的「废物」热量可以用来保持温度。

  就其本身而言,RTG 无法产生足够的持续力量来让 Dragonfly 在空中飞行,但是 RTG 不断地给它的电池充电,最终机器人将为飞行节省足够的能量。或者也许它使用能量将数据传回地球,或者做科学实验。Titan 的白天和夜晚都是 8 天的时间,所以它在黑暗的时候,Dragonfly 有足够的时间来补给。

  与火星上的漫步者不同的是,Dragonfly 花了大量的时间在移动上,它将花费大部分时间在静止,做科学,传输数据和充电。它更像是一个「浮动着陆器」,而不是飞机。科学有效载荷包括一个质谱仪,伽马射线和中子光谱仪,地球物理和气象软件包,还有一整套的照相机。在 Dragonfly 起落架的支柱上的钻头会收集表面样品,一个可折叠的高增益天线意味着没有必要的中继轨道器。

  虽然在地面上进行科学研究是有价值和安全的,但 Dragonfly 的重点就是它能飞。一个小时内它比火星上的漫步者在 10 年内走的路还长,还不用担心障碍。在为期一两年的任务期间,Dragonfly 能详细地探索泰坦表面的巨大数量,进行探索。它不会从轨道上降落,而是从降落伞空壳里掉出来,然后飞下来,在选择最安全的地方进行第一次着陆之前,能扫描数公里的地形。最初的着陆区域很可能是大沙丘地带,在雷达图像的基础上,沙丘之间的平坦区域很平坦。从那时起,蜻蜓就可以从上面飞着侦察地形,但真正令人兴奋的是,当它开始在新的地方探索更远的地方。

  APL 说它可以安全完成:

  通过对勘测成像的地面分析、距离[范围]/3或更小距离初始着陆位置 A 的地面分析来识别第二着陆区 B;

  利用其传感器 (用于地形粗糙度、成像等)在该区域上进行探测,并返回到原始着陆地点 A;

  传感器数据的地面分析证实了区域 B 内的一个或多个安全位置 (或者如果没有找到满意的位置,则返回步骤 1);

  在侦察成像中识别候选的第三着陆区 C,距离 A 的距离为2[范围]/3;

  车辆在 C 上进行感测,但在 B 处着陆。

 

  以这种方式则不需要对尚未对安全进行评估的着陆地点作出承诺。这种保守方法虽然花费了更长的时间来实现给定的多跳横向范围,但它将允许 Dragonfly 考虑更粗糙的地形,这些地形可能与更有吸引力的科学目标相关联,例如低温火山特征或冲击熔融片材,其中液态水可能与钛上的有机物相互作用。

 

这幅 Dragonfly 的概念图显示了寻找一个新的着陆地点的可能的飞行路径。

  Dragonfly 最大航程可能在 60 公里左右,它的电池允许以 10 米/秒的最佳速度飞行 2 小时。除了长途飞行之外,还可以在水面上移动几米,以重新定位它的传感器。就 Dragonfly 能够做到的科学数量而言,它的机动性使得它与更传统的漫游者具有很强的竞争力,尽管它对 Titan 这样的环境有特殊的意义。

  为了了解更多细节,IEEE Spectrum 采访了 APL 项目科学家 Ralph Lorenz。

  相比地球,Titan 上的飞行条件怎么样,这在 Dragonfly 的设计中是如何体现的?在 Titan 上,旋翼飞机的行为方式与地球上有什么不同?

  大气比我们厚 4 倍,重力比我们小 7 倍,所以飞行很容易。实际上 Dragonfly 的空气动力学设计并没有与地球上的四驱有什么不同,但由于这些因素,对 Dragonfly 来说,对马达的动力要求小得多。较密集的大气意味着我们为转子选择稍微不同的机翼截面,而不是用于风力涡轮机的机翼。 在飞行中它基本上看起来与地球上一样,除了引力较低的情况除外。

  Dragonfly 如何自主起飞、导航和着陆 ? 使用哪种类型的传感器 ?

  在这一点上,我们不能得到太多的细节,但是镭射和雷达已经被用于地面无人机和行星着陆器。首先,地面上的科学家会告诉 Dragonfly 我们想去哪里,它只是在这个一般地区找到一个平坦的地方,不管怎样总是可以飞回我们所知的第一个着陆点。

  能描述你做的第一个硬件实验吗 ? 如何测试地球上的硬件 ?

  我们使用一个完整的测试模型,它比真实的东西要小,并且用它来验证动态的数值模型。

  什么样的科技进步让让你相信像 Dragonfly 这样的机器人能可靠地工作?

  无人机革命。

 

  总之,够幸运的话,2019 年的春天 NASA 将选择 Dragonfly 继续进行后续任务阶段。如果一切顺利,Dragonfly 将于 2025 年年底前前往 Titan,然后在 30 年代中期登陆。

  来源:IEEE Spectrum

  完

责编:赵汗青