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          &ldquo;風機器人&rdquo; &ndash;行星天空的未來探索者?

          時間:2021-06-22 07:52:06 來源:

          藝術家的渲染圖顯示了一個風車在木星的天空中跳躍,從那里的湍流風中汲取能量。盡管正在研究其他潛在配置,但該概念性風車被描繪為多面體,其截面旋轉以吸收風能并產生升力。學分:NASA / JPL-加州理工學院

          工程師們正在研究制造風力機器人的可行性,這是一類新型的機器人探針,旨在在沒有雙翼或熱氣球的情況下長時間在高空停留在行星大氣中,以便有朝一日探索諸如木星之類的行星。

          在探索地球的機器人探針設計人員中,當然不乏聰明的主意。存在海浪推動的機器人的概念。對于風驅動,在南極洲或火星上滾動的風滾草機器人有一些想法。最近,位于加利福尼亞州帕薩迪納市的NASA噴氣推進實驗室的一支工程師團隊想知道,探測器是否可能在地球云或遙遠的天然氣巨行星(如木星)中漂浮。

          該小組最近開始研究他們的問題,這要歸功于一項由NASA的創新先進概念(NIAC)計劃資助的為期一年,耗資100,000美元的研究。他們正在研究制造風力機器人的可行性,這是一種新型的機器人探測器,旨在在沒有機翼或熱氣球的情況下長時間在高空停留在行星大氣中。由美國國家航空航天局(NASA)資助的研究將系統地研究未來的此類航天器如何保持飛行并收集能量。

          盡管目前尚無任務計劃利用風車,但研究人員希望他們的研究將為使用高機動性機器人探索器的天然氣巨型行星開辟大氣科學的新途徑。

          與機器人漫游者已經探索過的月球和火星不同,像木星和土星這樣的巨大氣體行星沒有固體表面可以探測到。1995年,美國國家航空航天局(NASA)的伽利略(Galileo)航天器從一個降落傘降落到木星的大氣探測器下墜。電池供電的探針掉入地球深深的大氣層后,經受了高溫和高壓,僅存活了大約一個小時。與下降的探頭相反,風車可以在其主體的多個側面上具有轉子,這些轉子可以獨立旋轉以改變方向或產生升力。

          JPL的風車研究首席研究員阿德里安·斯托卡(Adrian Stoica)指出了一個從自然界思考的好例子:蒲公英種子。蒲公英種子非常適合留在空中。它隨著下落而旋轉,從而產生升力,使其在風的作用下長時間保持漂浮。我們將探索這種對風車設計的影響。

          斯托卡(Stoica)和同事們認為,要長時間在空中飛行,風力機器人必須能夠利用地球大氣層中的可用能量。該能量可能不是太陽能,因為探針可能會長時間停留在行星的夜側。由于其重量很大,核動力源也可能成為浮動探針的責任。但是,風,溫度變化甚至行星的磁場都可能是大氣探測器可以利用的能源。

          在研究開始時,研究小組懷疑,大氣機器人獲取能量的最佳選擇是湍流-風速不斷變化的方向和強度。關鍵是可變性。高風速還不夠。但是,在動態,動蕩的環境中,可以使用漸變(能量從高到低的差異)。

          斯托卡說:“這是探針可以飲用的能量之泉。”他認為,風車可能會產生與某些手表類似的方式,可以通過搖晃來纏繞手表。

          擁抱湍流以獲取動力并保持在高空,這與常規飛機所采用的方法背道而馳,常規飛機帶有自己的內部動力源,并且在平穩的空氣中表現最佳。例如,商用客機在地球的平流層中航行,那里的風往往比在離地面較近的密集空氣中順暢得多,流動速度也更快。

          JPL團隊首先對木星云間的風進行特征描述,以了解哪種類型的位置最適合發送風車,并確定其設計的一些技術要求。“很多事情我們都不知道,” Stoica說。“風車的直徑是10米還是100?為了使風車保持高空飛行,我們需要從風中拉起多少力?”

          團隊可以肯定的一件事是,為了擺脫湍流,風力機器人需要能夠感知周圍的風。為此,他們計劃在研究中構建一個簡單的風力機器人模型。此類飛行器的空氣動力學建模特別困難,因此Stoica認為擁有物理模型將很重要。

          模型風車將受到精心控制的湍流,以確定如何最好地設計能夠對機器人做出反應并重新定向以使其保持高空運行的系統。此后,團隊將繼續研究諸如電子傳感器之類的方法,以使風車人能夠感知自身周圍環境中的風場。將這些功能整合到一個功能原型中將留待將來研究。

          Stoica認為,如果建造風電機器人的成本能夠負擔得起,那么讓多個單位從地球大氣中不同位置發送回數據將很有用。他說:“人們可以想象,在木星或土星上存在相當長一段時間的風力機器人網絡,可以發送有關不斷變化的天氣模式的信息。”“當然,我們對其他行星大氣的了解豐富了我們對地球自身天氣和氣候的了解。”

          實際上,風車還可以作為輔助工具使用,以幫助科學家了解颶風等地球上動蕩的天氣現象,而不必冒險超出地球的大氣層。設計用于感應和消除湍流的風車不僅可以在如此危險的環境中生存,而且還可以始終傳輸有價值的數據。

          盡管具有潛力,但風力機器人的概念并非沒有取舍。漂浮的探測器可能不得不犧牲旅行時間才能移動到地球上有趣的目的地,以保持生命狀態-交易從A點到B點的更短路徑,以跟隨風的能量來保持高空飛行。在其他時候,當它有足夠的能量時,它可能能夠通過更直接的路徑前往目的地。

          風車的概念距離準備發射到木星還有很長的路要走,但是Stoica和同事很高興能參與他們的初步研究。“我們還不知道這個想法是否真的可行。我們將進行研究以找出答案。”他說。“但是,這促使我們尋找其他解決問題的方法,而這種思考非常有價值。”

          NIAC是NASA太空技術任務部的一部分,該部門進行創新,開發,測試和飛行硬件以用于NASA的未來任務。加州理工學院為NASA管理JPL。


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