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| 本文作者： 天諾 | 2016-12-07 12:05 |
科學(xué)家們一直希望找到成本更低的零重力實現(xiàn)方法，四軸無人機可能會是這個問題的答案。
在航空航天領(lǐng)域里，最搞笑的一個項目就是所謂的“嘔吐彗星”——它是美國航空航天局想出來的一個宇航員訓(xùn)練項目，需要讓宇航員進入到一個以拋物線軌道飛行的模擬艙內(nèi)，模擬零重力飛行。這些飛行器會被宇航員使用訓(xùn)練體驗失重狀況，有時也會提供給那些想要體驗零重力感覺的人做些嘗試，“嘔吐彗星”每次的時間間隔大約為 25 秒。當(dāng)然啦，這些飛行器還有其他用途，比如借給好萊塢使用——著名電影《阿波羅 13 號》的很多場景都是在嘔吐彗星零飛行器內(nèi)零重力環(huán)境下拍攝的。
此外，很多科學(xué)家也會使用嘔吐彗星飛行器來進行一些微重力（或零重力）條件下的科學(xué)實驗。不過，嘔吐彗星飛行器價格并不便宜，每公斤成本高達 3000 美元，而且還要提前好幾個月、甚至好幾年去預(yù)定，所以對于“拮據(jù)”的科學(xué)家們而言，想要重復(fù)做一些零重力實驗，使用嘔吐彗星飛行器幾乎是不可能的。
另一個選擇是微重力（零重力）落塔實驗，落塔可進行流體物理、非金屬材料燃燒、液體管理等微重力實驗研究,為航天飛行器載荷搭載實驗及其防火技術(shù)預(yù)研提供了便利的實驗手段。不過，落塔一樣很難預(yù)約，而且價格也非常昂貴。
哦！當(dāng)然還有最后一個選擇——搭乘航天飛機或宇宙飛船去國際空間站，不用說，這個成本最貴，也沒有人能夠承擔(dān)的起。
因此，科學(xué)家非常想有一個成本更低、更方便的選擇，至少在有條件能負擔(dān)得起更昂貴的零重力實驗之前，能夠測試一些設(shè)計原理也好。
現(xiàn)在，他們的愿望終于實現(xiàn)了，或者說，接近于實現(xiàn)了——這要感謝亞特蘭大的佐治亞理工學(xué)院的 Juan-Pablo Afman 和他的小伙伴們，他們想到了一個方法，利用一個無人機在短時間內(nèi)制造出了零重力條件。而且，該解決方案不僅十分靈活，易于復(fù)制，而且相比于上面提到的所有方法，成本都低。
實際上，這個目標(biāo)其實并不復(fù)雜，無非就是希望能夠?qū)崿F(xiàn)至少五秒的自由落體，并且在法規(guī)約束條件下合法運行，同時還要將整套系統(tǒng)的成本控制在 2.5 萬美元之內(nèi)。
但是，說起來容易做起來難，真正操作這套系統(tǒng)，要比聽上去的困難許多。Afman 和他的同事們很快發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把四軸飛行器上升到一定高度、關(guān)掉發(fā)動機之后，它并不會產(chǎn)生零重力，這是因為在下落的過程中，會產(chǎn)生空氣阻力。
更糟糕的是，旋翼工作時所產(chǎn)生的力量往往很不穩(wěn)定，因此即便當(dāng)發(fā)動機切換回來開始運行之后，飛行器依然會難以恢復(fù)正常。Afman 說道：由于推力幾乎接近為零，會導(dǎo)致整個飛行器在機動作業(yè)時無法保持正確的姿勢，這對于飛行器來說會帶來災(zāi)難性的結(jié)果。
上圖展示了一部配置可變螺距轉(zhuǎn)子的零重力四軸飛行器所能夠產(chǎn)生的力量
問題是這種固定的飛行器轉(zhuǎn)子是絕大多數(shù)四軸飛行器的標(biāo)準(zhǔn)配置，但它們卻無法產(chǎn)生必要的、維持零重力的力量，也無法確保飛行器在自由落體的時候保持機身穩(wěn)定。因此，Afman 的團隊決定自己改造四軸飛行器的可變螺距轉(zhuǎn)子設(shè)計，讓它能夠從六個角度隨時控制飛行器的穩(wěn)定度。
此外，該團隊遇到的另一個問題就是監(jiān)管約束，事實上，美國和歐洲的空中交通監(jiān)管部門規(guī)定四軸飛行器的飛行高度不能超過 120 米，而且飛行器重量也不能超過 25 千克，這些條件也給 Afman 和和他的團隊帶來了極大的挑戰(zhàn)。
不過盡管如此，由于 Afman 設(shè)計的飛行器飛行軌道只需要在保持穩(wěn)定控制的前提下，產(chǎn)生五秒時間的零重力效果，因此監(jiān)管機構(gòu)的約束條件對他們影響并不算太大。
在安全方面，該研發(fā)團隊還在四軸飛行器內(nèi)部設(shè)定了一個默認(rèn)的地理空間飛行距離，即便它的電量耗盡，也能在規(guī)定時間內(nèi)飛行一段基本距離——他們稱這種功能為“地理圍欄（geofence）”，極大地確保了四軸飛行器的使用安全性。
除了在硬件設(shè)計上做了很多努力，Afman 的團隊還研發(fā)了一款配套軟件，允許用戶針對不同實驗的特殊要求，自定義設(shè)計飛行器的飛行軌道、以及所需要的零重力實驗時間。
雖然所有這一切聽上去讓人感覺耳目一新，但到目前為止，這套零重力四軸飛行器系統(tǒng)還沒有嘗試過任何零重力飛行試驗，之所以會這樣，主要是因為他們在可變螺距轉(zhuǎn)子的設(shè)計工作上耗費了大量時間。不過，該研發(fā)團隊已經(jīng)承諾會在本月末執(zhí)行一些零重力實驗任務(wù)，屆時我們就可以看到這款飛行器的性能表現(xiàn)了。
無論如何，佐治亞理工學(xué)院研發(fā)團隊所設(shè)計的這套零重力四軸飛行器系統(tǒng)幫助零重力研究向前邁進了一大步。更重要的是，該系統(tǒng)的價格也相對非常實惠，很多研究機構(gòu)、甚至學(xué)校都能負擔(dān)得起。當(dāng)然啦，該系統(tǒng)最大的好處，可能就是以后人們在嘗試零重力實驗時，也不用嘔吐了。
Via: TR
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