NASA 资助球形飞行机器人研发，将用于探索土星卫星泰坦洞穴

8 月 17 日消息，有朝一日，球形“飞行机器人”（Aerobot）或许会成群结队地探索土星的卫星泰坦。NASA 认为，泰坦是太阳系中最接近地球的天体之一。

据了解，泰坦表面遍布由甲烷、乙烷等碳氢化合物形成的河流、湖泊和海洋，同时还拥有奇特的“喀斯特”地貌，包括地下天坑和洞穴。普通探测车很难在这样的地表环境中自由行动，但飞行器或许能够取得更好的效果。

因此，NASA 早期阶段的“创新先进概念”（NIAC）计划近日提供了一项新的研究资助，目标是研发体积小巧的飞行器，用于探索泰坦上的这些洞穴。

项目负责人、夏威夷大学马诺阿分校助理教授 Daniel Drew 在接受 Space.com 采访时表示，目前还不确定这种飞行机器人能否赶上 NASA 的“蜻蜓”（Dragonfly）任务。该项目被称为 SPARK，全称为“用于喀斯特地貌自主侦察的固态推进系统”（Solid-state Propulsion for Autonomous Reconnaissance of Karst）。

Drew 指出，SPARK 目前刚刚开始为期 9 个月的第一阶段资助项目，之后还需要完成最长两年的第二阶段研究，项目才会进入“更加现实”的发射准备阶段。

与此同时，NASA 的 Dragonfly 任务目前计划于 2028 年发射。如果任务出现延期，那么 SPARK 未来加入任务后期阶段的可能性也会随之增加。

“假设我们已经错过了 Dragonfly 的窗口，那么这与目前泰坦任务的时间表究竟如何衔接？我不知道。”Drew 谈到 SPARK 时说。不过，他认为无论最终何时发射，SPARK 都有望凭借其新型离子（电）推进器在泰坦上取得不错的表现。

Drew 表示，这种设计可以“提供持续飞行能力、机动性，以及应对近低温（冰冷）环境的可靠性，同时尽可能减少下洗气流对具有科学研究价值的碳氢化合物分层结构造成的扰动”。

他希望 SPARK 能够成为泰坦洞穴探索任务的先驱，就像火星上的 Ingenuity（机智号）直升机一样。Ingenuity 最终完成了 72 次飞行，远远超过当初任务设计时的目标，实际飞行次数超过原计划的 10 倍。

Drew 从在加州大学伯克利分校读研究生期间开始，就一直研究一种特殊的离子推进器，即电流体动力学（EHD）推进技术。

在美国国家科学基金会（NSF）奖学金的支持下，Drew 研究了多种飞行器设计，并逐渐对制造类似真实生物、能够通过扇动翅膀飞行的机器人产生了兴趣。

在研究过程中，他“几乎完全是偶然”接触到了业余爱好者组成的“升力器”（lifter）社区。

“这些原型机由三角形轻木、漆包线和铝箔制成。你可以通过从微波炉、CRT 显示器或其他设备中拆下的高压变压器，将它们连接到 4 万伏的电压，它们就能漂浮在桌面上。”他说，“YouTube 上有很多人制作这类设备的视频。”

进一步查阅历史资料后，Drew 发现，NASA 和美国空军过去也曾开展过与这些业余爱好者所使用技术类似的早期实验和研究。

巧合的是，NIAC 当时也向另一个由麻省理工学院领导的研究团队提供了资金。该团队正在研究如何利用 EHD 推进技术制造用于地球环境的飞行器。

Drew 因此意识到，这可能是一个非常有潜力的研究方向。

“长话短说，我沿着这个思路继续研究，”Drew 说，“并发表了一系列论文，研发出了由大气离子推进器驱动的厘米级微型飞行机器人。”

在获得 NIAC 资助之前，Drew 已经取得了多项成果。他表示，自己首次展示了微加工 EHD 执行器，也实现了其他一些“首次”，例如让厘米级“离子飞行器”（ionocraft）起飞，并进一步搭载有效载荷。

“我们最近还发表了一篇论文，介绍首款采用离子推进的微型悬浮飞行器的设计和起飞。”他补充道。这篇论文发布在预印本平台 arXiv 上。

“这听起来可能已经是一份相当不错的重要成果清单，但实际上，这个领域并没有很多人在研究。我基本上是在和自己赛跑。”

如今有了 NIAC 的支持，Drew 希望进一步研究 EHD 推进技术的优势，例如具备良好的可扩展性、几乎完全没有噪音，以及结构简单。由于它属于固态推进系统，需要处理的零部件更少。

他指出，这项技术未来也可能应用于泰坦之外的领域，例如全电动飞机、室内无人机以及微型飞行器集群等。

不过，他也认为这种技术的实际应用范围会受到限制。“最大的弱点在于，它的效率实在不高。”Drew 表示，“除非出现重大技术突破，否则在绝大多数地球上的应用场景中，它都不可能真正与旋翼、喷气发动机等传统推进方式竞争。”

由于第一阶段研究只有大约 9 个月时间，Drew 和他的合作伙伴计划迅速开展实验。其中包括 NASA 喷气推进实验室（JPL）的 Ethan Schaler 和 Jacob Izraelevitz，以及蓝色大理石空间科学研究所（Blue Marble Space Institute of Science）的 Michael Malaska。

团队将针对电力供应等关键因素，对不同子系统展开“权衡研究”，确定哪些部分最值得优先投入资源，同时还将建立模型，研究热效应对电力系统等部件可能造成的影响。

Drew 表示：“‘站在巨人的肩膀上’这一理念已经深深融入 NIAC 的文化之中。”

他指出，团队在整个研究结束时最重要的成果将是一份全面且公开的报告。“充分利用过去相关研究报告以及该领域其他公开研究成果，对于做好这项工作至关重要。”