飞行器在太空靠啥能源飞行，浮空飞行器可能是探索金星云端的最佳方式

根据多条证据，金星曾经是一颗与今天大不相同的行星。大约5亿年前，一次大规模的地壳变化事件引发了失控的温室效应，导致了我们今天看到的炎热的、有毒的如地狱般的金星环境。因此，为研究金星提供了一次模拟行星环境演变的机会，以此作为未来可能发生事情的参考。

在未来几年中，NASA计划向金星发送轻于空气的飞行器，探索云端的大气。云端的温度稳定，大气压力与地球相当。在NANS的支持下，西弗吉尼亚大学（WVU）的工程师正在开发软件，该软件将使以气球为基础的空中机器人（aerobots）能够以小型舰队的形式探测金星的大气层。

这项研究由西弗吉尼亚大学机械和航空航天工程系的两位副教授Guillerme Pereira和Yu Gu牵头。与他们一起的还有Bernardo Martinez Rocamora Jr.，Chizhao Yang和Anna Puigvert i Juan，他们分别是两名航空航天和机械工程博士以及一名机械工程硕士。他们的研究得到了NASA建立的刺激竞争研究计划（EPSCoR）10万美元的资助。

探索云端

金星能够吸引科学家们的一部分原因是它与地球的相似之处。事实上，金星被通俗地称为地球的“姐妹行星”，因为它也是一个主要由硅酸盐矿物和金属组成的陆地（又名岩石）天体，分为金属核和硅酸盐地幔与地壳。然而，金星的大气层却是另一番景象，其平均温度为464°C（867°F），足以熔化铅，其大气密度超过地球大气90倍以上。

但在离地表50-70公里（30-45英里）的高度，金星大气的温度和压力与地球相似。这为使用比空气轻的飞行器进行大气研究提供了机会。提案包括NASA的金星高空运行概念（HAVOC），这是一系列的概念，是一个为期30天的载人任务，该任务将使用比空气轻的大型飞行器探索金星的高层大气。

HAVOC概念图

NASA兰勒研究中心的金星云端飞艇计划

虽然该项目不再活跃，但它激发了后续提案，如金星大气机动平台（VAMP），一种由NASA及其商业合作伙伴Northrop Grumman公司开发的混合飞艇。这些概念依靠浮力和空气动力学来控制它们的高度，使它们能够在白天像飞机一样飞行（利用太阳能为电池供电），在夜间漂浮以节省能源。

VAMP计划概念图

不过，到目前为止，还没有人致力于开发能够让这些飞行器自主行动的软件。正如Pereira教授在最近的西弗吉尼亚大学今日新闻发布会上所解释的：“该项目的主要目标是提出一个软件解决方案，使混合型航空机器人能够探索金星的大气层。虽然混合动力飞行器是在本项目之前提出的，但我们不知道是否已经创建了软件。我们项目的一个想法是通过规划节能路径来延长飞行器的电池寿命，从而使其能够在夜间飞行。”

金星大气层

Pereira和Gu目前正在开发的软件套件有三个主要目标：优化旅行路线、在金星大气中定位航空机器人以及协调航空机器人舰队共同工作。

第一个目标是创建一个“运动规划器”，它将运行在航空机器人的计算机上，并允许优化航线。当NASA的科学团队命令航空机器人从一个位置移动到另一个位置时，该软件将充分利用当地风力，选择尽量减少能源消耗的路线。

Pereira说：“通过了解航空机器人的动力学、太阳能电池板和电池的特性以及金星大气的特性，来创建运动规划器。”在飞行器动力学方面，规划人员只考虑在给定的特定输入条件下飞行器可行的运动，例如螺旋桨的推力或控制面的旋转。为此，软件必须考虑飞行器太阳能电池板、电池和太阳强度的互操作性。这将使其能够确定飞行器需要多少电量来为系统供电，以及充电速率的快慢。Pereira解释说：“通过这些模型，运动规划器将计算出航空机器人要走的最节能路线。对大气的了解为机器人提供了风向、磁场、压力、温度和太阳强度等参数，我们正试图提出一个最佳的能源战略。这一点很重要，因为航空机器人将绕金星大气层运行四天左右，长期暴露在地球黑暗面没有光线的环境中，因此需要有足够的能量来生存。”航空机器人将每四到六天环绕金星飞行一次，被太阳照亮的那一侧太阳能电池板每两到三天充电一次。（资料来源：布法罗大学碰撞实验室。）

运动规划器还将比较航空机器人的位置信息、其期望的目标位置以及这两个位置之间的大气条件信息。例如，如果风的方向与航空机器人到达目的地的路径相同，那么它将选择这条路线，而不是另一条存在风阻力的路线。Pereira补充说：“从最初的位置开始，规划人员将模拟航空机器人可能做出的不同动作，并根据前面提到的参数计算每个动作的成本。之后，运动规划器将继续以更小的成本不断传递航空机器人的运动，创造一棵可能性树，直到我们到达目的地。”

第二个目标是在金星大气中定位飞行器，这一目标更为复杂。目前，在金星周围的轨道上没有GPS卫星，这给定位带来了困难。因此，Pereira和Gu正在设计他们的软件套件，以便能够使用来自其他交通工具和地球地图的信息。这将允许多个航空机器人在金星云端导航时跟踪自己的位置。

第三个目标是协调航空器，以改进定位，从而更好地估计金星的大气条件。为此，Pereira和Gu依靠于由NASA创建的金星大气风模型，该模型是由金星先锋号、卡西尼-惠更斯号、信使号和欧空局金星快车号等任务获得的数据创建的。他们还计划为每个航空机器人配备风传感器，以估计当地风速和风向。

Black Swift技术公司赢得了NASA的一份合同，将开发一架研究金星高层大气的无人机。Pereira说：“通过共享来自多个地点的数据，一支航空机器人车队将更好地了解大气中的总体风型及其空间分布。气流的重要性在于，它可以将机器人带到所需的位置。就像奥运会短跑运动员一样，如果遇到顺风情况，他们会获得更好的成绩。如果风向朝着飞机的目标方向，航空机器人的运动将得到风的帮助，因此，这条道路将更加有效。”

展望未来，Pereira和Gu计划开发一个金星大气模拟器来评估他们的软件和航空机器人的功能。Pereira说：“几次对金星的探测任务收集了风、温度、压力和空气密度的数据，这些信息之后被用于创建一个模拟器，在给定的纬度、经度和高度下，我们计算作用在航空器上的所有力。”

Pereira和Gu估计，该航空器的浮力将阻止其下降到50公里（31英里）以下的高度，并将有几个月到一年的寿命（在巡航高度）。此次和其他前往金星的任务所获得的数据有望阐明金星大气的演变，以及金星仍处于火山活动状态的可能性，并为处理地球上的温室效应提供了线索。