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工程师为火星探测设计无马达帆船
2022年07月05日    阅读量:1537     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

八个活跃的航天器,包括三个由美国宇航局操作的航天器,围绕火星运行,以大约每像素1英尺的分辨率收集火星表面的图像。三辆漫游车横穿地面,以更高的精度绘制了地球的小面积地图。但是,在漫游者和轨道器之间的数百公里里有什么鈥攊包括大气气候过程和地质特征,如火山和峡谷鈥攊行星科学家通常最感兴趣的是。

美国宇航局火星气候模拟中心的研究科学家亚历山大·克林(Alexandre Kling)说:“在这个行星边界层中有一个非常重要、关键的部分,就像在离地面前几公里的地方一样。”。“这是地表和大气之间所有交换发生的地方。这是灰尘被收集并送入大气的地方,微量气体被混合的地方,山谷气流对大规模风的调制发生的地方。我们只是没有太多关于它的数据。”

Kling正在与亚利桑那大学的一个工程师团队合作,该团队旨在通过设计一种无电机的帆船飞机来填补这一数据空白,这种飞机一次可以在火星表面飞行数天,仅使用风能进行推进。配备了飞行、温度和气体传感器以及摄像机,每架帆船的重量只有11磅。该团队在《航空航天》杂志上发表的一篇论文中详细介绍了其提议。

信天翁的飞行

由于火星的大气层很薄,在火星上飞行很有挑战性,这不是第一个尝试解决这个问题的团队。最值得注意的是,美国宇航局的独创性是一架4磅重的直升机于2021降落在火星的杰泽罗陨石坑。凭借微型飞行技术和约4英尺的转子系统跨度,它是第一个在另一个星球上测试动力控制飞行的设备。但这种太阳能汽车一次只能飞行三分钟,高度只有12米,约39英尺。

“这些其他技术都受到能源的限制,”该论文的第一作者阿德里安·布斯凯拉(Adrien Bouskela)说,他是尤里佐纳大学谢尔盖·什卡拉耶夫教授的微型飞行器实验室的航空航天工程博士生。“我们提议的只是就地使用能源。这是延长任务期限的一种飞跃。因为主要问题是:你怎么能免费飞行?你怎么能利用那里的风,那里的热动力,避免使用太阳能电池板和依赖需要充电的电池?”

轻型、低成本、风力驱动的帆船可能是答案。这些飞机的翼展约为11英尺,将使用几种不同的飞行方法,包括在有足够垂直风的情况下进行简单的静态飞行。但他们也可以使用一种叫做动态翱翔的技术,这种技术就像信天翁在长途旅行中一样,利用了水平风速通常随高度增加的优势鈥攁 这种现象在火星上特别常见。

动态滑翔看起来有点像S型滑雪者用来控制下山的动作。然而,每次帆船改变方向,它也开始改变高度鈥攁第二,这种动作不是让帆船减速,而是帮助它获得速度。飞机在缓慢移动的低空风中以略微向上的角度飞行。当它们到达更快的高空风时,它们会旋转180度,让高速风推动它们以稍微向下的角度前进。当它们开始耗尽高速风的能量时,它们会重复这个过程,前进。通过这种灵活的操纵,帆船飞机可以不断地从大气中获取能量,一次飞行数小时甚至数天。这是免费飞行。

“这几乎是你必须看到它才能相信的事情,”该论文的合著者、尤里佐纳大学航空航天和机械工程副教授杰坎·桑加说。

目前的漫游者大多拍摄了火星平坦多沙平原的图像鈥攖他只在漫游者可以安全着陆的区域。但是,通过利用峡谷和火山等地质构造周围的风向变化,这些帆船将能够探索新的领域。

克林说:“有了这个平台,你可以到处飞,进入那些非常有趣、非常酷的地方。”。

好东西总是小包装的

该团队建议将这些帆船飞机作为更大任务的第二有效载荷发送到火星。桑加正在研究如何将航天器上的帆船飞机部署到大气层中。在航天器上,这些帆船飞机将封装在立方体卫星中,立方体卫星是一种微型卫星,比电话簿大不了多少。一旦立方体卫星发射并释放飞机,飞机要么像折纸一样展开,要么像高科技游泳池浮子一样膨胀,并按其全尺寸固定。

该团队还正在探索用气球或飞艇将帆船送入大气层的可能性。这将减缓帆船的下降速度,并允许它们在风力条件最佳或接近高兴趣区域时起飞。帆船飞机甚至可能在飞行后重装气球或飞艇,继续完成多项任务。

飞行结束,任务继续

在火星表面着陆后,这些飞机将继续向航天器传回有关大气层的信息,基本上成为气象站。气象学家可以相对准确地预测地球上的天气,部分原因是我们星球上的气象站构成了一个信息网络,他们收集的所有数据都会不断反馈给预测模型。所以,每一架退役的火星帆船鈥攚它是按计划完成了探索还是出了问题鈥攃将成为该网络中另一个至关重要的节点。

Bouskela说:“如果我们的飞行能量耗尽,或者我们的惯性传感器因任何原因突然失效,我们希望继续进行科学研究。”。“从行星科学的角度来看,任务还在继续。”

该团队根据火星气候数据对帆船的飞行模式进行了广泛的数学建模。还有更多关于飞行轨迹、潜在对接系统等的研究要做。但今年夏天,他们将在海拔约15000英尺的地方测试实验飞机,那里的地球大气层更薄,飞行条件更接近火星。

Shkarayev说:“我们可以将地球用作研究火星飞行的实验室。”。

该团队最终希望美国宇航局将资助这项任务,并允许它“搭上”正在开发的大规模火星任务。克林说,这种帆船飞行的低成本性质意味着它可以相对较快地取得成果,也许需要几年时间,而不是完成一项全面任务所需的几十年时间。

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