“风机器人” –行星天空的未来探索者？

艺术家的渲染图显示了一个风车在木星的天空中跳跃，从那里的湍流风中汲取能量。尽管正在研究其他潜在配置，但该概念性风车被描绘为多面体，其截面旋转以吸收风能并产生升力。学分：NASA / JPL-加州理工学院

工程师们正在研究制造风力机器人的可行性，这是一类新型的机器人探针，旨在在没有双翼或热气球的情况下长时间在高空停留在行星大气中，以便有朝一日探索诸如木星之类的行星。

在探索地球的机器人探针设计人员中，当然不乏聪明的主意。存在海浪推动的机器人的概念。对于风驱动，在南极洲或火星上滚动的风滚草机器人有一些想法。最近，位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室的一支工程师团队想知道，探测器是否可能在地球云或遥远的天然气巨行星（如木星）中漂浮。

该小组最近开始研究他们的问题，这要归功于一项由NASA的创新先进概念（NIAC）计划资助的为期一年，耗资100,000美元的研究。他们正在研究制造风力机器人的可行性，这是一种新型的机器人探测器，旨在在没有机翼或热气球的情况下长时间在高空停留在行星大气中。由美国国家航空航天局（NASA）资助的研究将系统地研究未来的此类航天器如何保持飞行并收集能量。

尽管目前尚无任务计划利用风车，但研究人员希望他们的研究将为使用高机动性机器人探索器的天然气巨型行星开辟大气科学的新途径。

与机器人漫游者已经探索过的月球和火星不同，像木星和土星这样的巨大气体行星没有固体表面可以探测到。1995年，美国国家航空航天局（NASA）的伽利略（Galileo）航天器从一个降落伞降落到木星的大气探测器下坠。电池供电的探针掉入地球深深的大气层后，经受了高温和高压，仅存活了大约一个小时。与下降的探头相反，风车可以在其主体的多个侧面上具有转子，这些转子可以独立旋转以改变方向或产生升力。

JPL的风车研究首席研究员阿德里安·斯托卡（Adrian Stoica）指出了一个从自然界思考的好例子：蒲公英种子。蒲公英种子非常适合留在空中。它随着下落而旋转，从而产生升力，使其在风的作用下长时间保持漂浮。我们将探索这种对风车设计的影响。

斯托卡（Stoica）和同事们认为，要长时间在空中飞行，风力机器人必须能够利用地球大气层中的可用能量。该能量可能不是太阳能，因为探针可能会长时间停留在行星的夜侧。由于其重量很大，核动力源也可能成为浮动探针的责任。但是，风，温度变化甚至行星的磁场都可能是大气探测器可以利用的能源。

在研究开始时，研究小组怀疑，大气机器人获取能量的最佳选择是湍流-风速不断变化的方向和强度。关键是可变性。高风速还不够。但是，在动态，动荡的环境中，可以使用渐变（能量从高到低的差异）。

斯托卡说：“这是探针可以饮用的能量之泉。”他认为，风车可能会产生与某些手表类似的方式，可以通过摇晃来缠绕手表。

拥抱湍流以获取动力并保持在高空，这与常规飞机所采用的方法背道而驰，常规飞机带有自己的内部动力源，并且在平稳的空气中表现最佳。例如，商用客机在地球的平流层中航行，那里的风往往比在离地面较近的密集空气中顺畅得多，流动速度也更快。

JPL团队首先对木星云间的风进行特征描述，以了解哪种类型的位置最适合发送风车，并确定其设计的一些技术要求。“很多事情我们都不知道，” Stoica说。“风车的直径是10米还是100？为了使风车保持高空飞行，我们需要从风中拉起多少力？”

团队可以肯定的一件事是，为了摆脱湍流，风力机器人需要能够感知周围的风。为此，他们计划在研究中构建一个简单的风力机器人模型。此类飞行器的空气动力学建模特别困难，因此Stoica认为拥有物理模型将很重要。

模型风车将受到精心控制的湍流，以确定如何最好地设计能够对机器人做出反应并重新定向以使其保持高空运行的系统。此后，团队将继续研究诸如电子传感器之类的方法，以使风车人能够感知自身周围环境中的风场。将这些功能整合到一个功能原型中将留待将来研究。

Stoica认为，如果建造风电机器人的成本能够负担得起，那么让多个单位从地球大气中不同位置发送回数据将很有用。他说：“人们可以想象，在木星或土星上存在相当长一段时间的风力机器人网络，可以发送有关不断变化的天气模式的信息。”“当然，我们对其他行星大气的了解丰富了我们对地球自身天气和气候的了解。”

实际上，风车还可以作为辅助工具使用，以帮助科学家了解飓风等地球上动荡的天气现象，而不必冒险超出地球的大气层。设计用于感应和消除湍流的风车不仅可以在如此危险的环境中生存，而且还可以始终传输有价值的数据。

尽管具有潜力，但风力机器人的概念并非没有取舍。漂浮的探测器可能不得不牺牲旅行时间才能移动到地球上有趣的目的地，以保持生命状态-交易从A点到B点的更短路径，以跟随风的能量来保持高空飞行。在其他时候，当它有足够的能量时，它可能能够通过更直接的路径前往目的地。

风车的概念距离准备发射到木星还有很长的路要走，但是Stoica和同事很高兴能参与他们的初步研究。“我们还不知道这个想法是否真的可行。我们将进行研究以找出答案。”他说。“但是，这促使我们寻找其他解决问题的方法，而这种思考非常有价值。”

NIAC是NASA太空技术任务部的一部分，该部门进行创新，开发，测试和飞行硬件以用于NASA的未来任务。加州理工学院为NASA管理JPL。