美国 NASA 部署 16 项未来太空技术:月球悬浮铁道和火星洞穴机器人

2021/3/8 9:16:06 来源:新浪科技 作者:叶倾城 责编:骑士

北京时间 3 月 8 日消息,据国外媒体报道,目前,美国宇航局选择了 16 项未来太空技术概念,准备进行深入研究,其中 4 个技术概念来自美国宇航局喷气推进实验室,例如:在月球上建造一个运输货物的铁道系统。

现今地球轨道太空一片繁忙景象,近几十年来,人类在太阳系发射了大量探测器,用于探索行星、小行星、彗星和太阳,伴随着航天技术不断进步,所有太空任务都令人激动不已,并有可能成为现实,但是未来会怎样呢?未来还会有哪些技术奇迹?

目前,美国宇航局已批准了 “NASA 创新先进概念(NIAC)”项目的资金申请,该资金将奖励 12 名以上的研究人员,鼓励他们研究创新概念的可行性,这些研究人员包括:美国宇航局研究员、工业界和学术界的科学家。以下是美国宇航局选择的 16 项未来太空技术概念:

1、月球柔性膜悬浮铁道(FLOAT)

设计者:伊桑 · 沙勒,美国宇航局喷气推进实验室

我们希望建造月球第一个铁道系统,它将提供安全可靠、自动高效的运输方式,可实现有效载荷在月球表面上运输,建立一个持久、寿命较长的机械装置运输系统,对于 2030 年可持续性月球基地的正常运行至关重要,正如美国宇航局的 “机器人月球表面操作 2 号任务(RLSO2)”的设计概念,以下两种作用:一是运输开采的风化表层作为资源利用消耗品(水、液态氧、液态氢)或者建筑材料;二是运输月球基地周围的有效载荷,往返登陆区域或者其他前哨站。

为了实现以上运输需求,我们建议在月球表面建造柔性膜悬浮铁道(FLOAT),FLOAT 系统使用无动力磁性机械装置悬浮在 3 层柔性薄膜轨道之上:石墨层薄膜能使机械装置基于反磁性悬浮力被动地漂浮在轨道上方,柔性电路层产生电磁推力控制机械装置沿着铁轨运行;位于底部的太阳能薄膜,在太阳光线照射下可产生电能。FLOAT 悬浮系统没有运动部件,一直悬浮在轨道之上,从而减少月球灰尘的磨损,该系统不像是月球登陆车有轮子或者支架。

FLOAT 系统能在尘土飞扬、不适宜居住的月球环境中自动运行,并且保持最小场地准备,其轨道网络可以随时间推移卷起或者重新部署,以适应不断变化的月球基地任务要求。

2、传感功能独立微型游泳机器人(SWIM)

设计者:伊桑 · 沙勒,美国宇航局喷气推进实验室

未来几十年的太空探索将聚焦于地外海洋星球,尤其是土卫二、木卫二和土卫六,这些星球的液态海洋位于数千米厚的冰壳之下,是地球之外最有可能孕育生命的地方。为了抵达这些地外海洋世界,美国宇航局正在开发和完善许多进入海洋的任务概念,其中包括:“探索木卫二地下海洋(SESAME)”等级的热机械钻探机器人,我们建议研发 “传感功能独立微型游泳机器人(SWIM)”,这将极大扩展微型体积海洋探测机器人的任务能力,并极大地增强探测可居住性、生物标志物及生命证据的可能性。

SWIM 系统包括厘米等级、3D 打印可游泳的微型机器人,其装配着微电子系统(MEMS)传感器,由微型致动器驱动,采用超声波无线遥控。微型游泳机器人可以独立部署,也可以从单个 SESAME 机器人载体上部署,一旦它到达或者锚定海洋 - 冰层交界区,其灵活性将受到限制。SWIM 机器人能扩大海洋采集范围,能力远超出 SESAME 机器人,从而增大了探测到地外海洋生命迹象的可能性。同时,该机器人还能获得科研工作所需的海洋属性、宜居性指标和潜在生物标记的时间和空间分布测量(单个机器人不可能实现)。这些能力将使科学家在美国宇航局首次地外海洋勘测中更好地描述和理解海洋成分及生命宜居性。

3、被动扩展偶极子阵列月球探测仪(PEDALS)

帕特里克 · 麦克高瑞,美国宇航局喷气推进实验室

理解类地行星地下组成和结构是揭晓其地质历史演变的关键,其中包括:地壳分化、火山作用、沉积作用、盆地形成和挥发性运输和聚集。通常采用的地下探测设备是雷达,它可以通过基于地球的双基站、轨道或者表面结构来实现,在每种情况下,合并雷达仪器的任务操作天线都具有固定共振频率,通常限制在一个或者两个工作频带。目前,火星轨道设备 MARSIS 在迄今所有轨道探测雷达中具有最大天线(40 米),它可提供千米等级的穿透勘测和全球覆盖范围,但由于信噪比较低、分辨率较低、表面反射模糊等原因,导致勘测数据失真度较高。考虑到使用单一、固定长度偶极天线产生的频带有限性,我们建议采用被动扩展偶极子阵列月球探测仪(PEDALS),它包含一系列离散偶极天线,通过特殊组成和短偶极耦合扩展到更大的区域,通过频率和深度变换能有效提高分辨率。PEDALS 的关键创新之处在于其独特能力,可以从不同的空间位置测量广泛而连续的深度范围,这是之前探地雷达装置无法实现的。PEDALS 利用形状记忆材料被动展开 4 个系绳,并计划在未来各种月球勘测任务中使用。驱动 PEDALS 任务的关键科学目标包括对比地壳厚度从而理解地壳结构的深度,以及测量表面风化层挥发物分布,探测地下空洞等。

4、太阳系驿马快信系统

约书亚 · 范德 · 霍克,美国宇航局喷气推进实验室

太阳系驿马快信系统是一个全球性、多光谱、高分辨率的行星探测系统,通过周期卫星网络的定期访问来获取千万亿位字节数据,然后传输到地球。这些 “信使”卫星使用光学通信每年至少接收一次该测量系统 1-3 千万亿字节的数据,之后卫星将朝向地球方向运行,近距离快速传输数据。通过利用周期轨道,该系统仅需要最小的机载推进力,并可以作为深空网络的扩展和人类探索后勤网络的先驱运行几十年时间。

5、支持早期地外行星着陆及操作的风化层自适应修正系统

萨巴吉特 · 班纳吉,美国德克萨斯州农工工程实验站 5

“风化层自适应修正系统(RAMs)”是为选择性加固和融合月球表面天然材料而设计的,目前这一概念是从美国宇航局创新先进概念(NIAC)提案中衍生而来,该提案专注于柔性轻型着陆平台设计。目前的月球风化层改造研究主要集中在使用基于大量现有成功技术,例如:烧结和地质聚合技术。相比之下,风化层自适应修正系统特别适合在早期着陆时支持部署工作,但也可以用于月球和火星定居点建成后进行更成熟的建设活动。而不是将所有材料、设备和电源用于固定月球表面风化层,进行灰尘控制、折叠着陆垫、固定登陆垫或者铺设通道等功能性维持工作。RAMs 使用奇特的微胶囊运载系统,能够送递纳米铝热剂混合物和有机硅烷使点焊锚点与表面底部风化层固定在一起,同时采用先进的高强度钢钉进行加固。

该系统还提供额外的地下风化层稳定剂,这些物质植入土壤深处,并被初始放热反应激活,从而形成一层连续的铝热剂熔合和地质聚合风化层,构建了一道屏障,提供了额外的承载能力。因此,除尘和承载是通过反应 / 凝固化学和物理网格屏障来实现的。

6、通过 SCATTER 探索天王星

西格西德 · 克洛塞,美国斯坦福大学

“发射电磁辐射持续立方体卫星勘测活动(SCATTER)”研究飞船通过研究激光器发射器释放能量和远程操控小型探测航天器的能力,可使飞船在前往天王星的长时间深空任务中间歇性部署探测器,在那里仅使用光伏和电池电源是不可行的,基于立方体卫星的勘测活动,可使科学家通过单个探索任务来增强科学测量,例如:磁场梯度,从而更好地了解天王星这颗冰巨星,该行星是太阳系内很少被勘测的行星之一。

7、电弧烧蚀开采的就地资源利用

艾米莉亚 · 格雷格,美国德克萨斯大学

伴随着近年来太空探索不断扩展,例如:人类对太阳系其他天体表面的探索,非常有必要进行就地资源利用(ISRU)从当地资源中获取水、建筑材料和推进剂,如何制造水是执行太空任务短期内最关键的成分,因此是许多研究的重点方向。然而,能够采用相同的系统开采其他资源在未来将变得至关重要。因此,一个运行良好的采矿系统应当包括水资源开采和收集,同时也应该尽可能多地采集其他当地材料。使用电弧烧蚀表面材料会产生自由电离粒子,这些粒子可以按质量分类成物质群,并通过电磁场输送到相关的收集器,每种材料类型的收集器可以并行使用,以实现最大收集效率和贮藏条件。

电离烧蚀弧、电磁传输、分类筛选以及收集模块都集中放置在一个可移动表面履带牵引装置中,能为人类太空探索活动提供多样化、高效率和广泛覆盖的原位资源利用。通过使用电弧烧蚀和电离风化岩颗粒,运输和采集这些挥发物比依赖热采矿技术采集随机样本更易于操控。这将大幅增加颗粒采集的速度,并减少了非预期表面的冷凝损失,使用磁场来分离挥发物将很容易地分类筛选任何风化层成分,例如:水和金属离子。

8、部署千米等级的太空结构

扎克利 · 曼彻斯特,卡内基梅隆大学

长期太空飞行将给人体带来严重的挑战,其中包括:肌肉萎缩、骨质疏松、视力下降、抑制免疫力等,这些影响都与缺乏重力有关,自人类最初实现太空探索以来,就一直期望着能在太空栖息地形成重力环境,科幻小说中曾提出旋转太空基地能产生人造重力作用。然而,旋转太空基地产生的人造重力会对人体造成诸多不良反应,当人体长期暴露在每分钟几次旋转的转速下,人体会感到不适和眩晕,为了在 1-2RPM(每分钟转数)的转速下产生接近 1g 的人造重力环境,需要一种千米等级的太空结构。为了解决该问题,我们将利用机械超材料取得的最新进展,设计一种轻质量部署结构,膨胀率达到 150 倍以上。像这样的结构可部署在猎鹰重型火箭整流罩中,在太空轨道上进行伸展,达到长度 1 千米以上的最终尺寸,而不需要复杂的在轨组装或者制造,我们的研究将适用于类似 “月球轨道空间站”的概念设计,1 千米以上等级的可扩展结构将成为大型旋转太空站主干部分。

9、自主深井钻孔机器人

奎因 · 莫理,行星企业公司

现在人们相信火星存在地下液态水,位于南极层状沉积物(SPLD)下方 1.5 千米深处,美国宇航局艾姆斯研究中心资深科学家克里斯 · 麦凯称,如果我们要研究天体生物学,不仅需要看到它,我们还需要获得一部分样本,因为我们有必要对火星等地外星球进行深度钻探。此外,2019 年一份后续报告指出,如果地壳之下火山活动产生热量使液态水成为可能,那么该地层和冰下湖泊很可能孕育地外生命。此前南极层状沉积物是火星最具科学探索意义的区域之一,它见证了 40 亿年前大气和气候变化,目前科学家还没有做好充分准备,利用深层钻探系统完成此项任务。

我们提出的是一种自动钻井系统,该系统将利用一个类似 “毅力号”火星车类型的探测器作为钻机,该探测器将配备最少且适当的科学仪器,以及采用冗余度很高的钻井策略,该钻井策略不依赖电缆,相反,自给自足的机器人可以自动在钻井上下移动,这些机器人被称为 “钻井机器人(borebots)”,长度大约 1 米。

钻井机器人由探测器面板上简单线性致动器移动到指定位置的管子中进行部署,它们在钻入井眼时能不断钻孔,钻井机器人移动是通过橡胶罐轨道系统实现的,该系统压在钻孔两侧,钻孔机器人在每次勘测中会钻探 150 毫米深,然后将冰芯分离出来,通过钻孔向上移动将其带到表面。当冰核由钻孔机器人提取出来时,探测器将对冰核进行原位分析,并使用内部处理设备进行存放处理,这意味着冰核样本要么被用于原地分析,要么被存放供以后检索。

10、适用太阳系目标拦截及样本采集的航天推进器(采用紧密、超功率高密度放射性电池)

克里斯托弗 · 莫里森,超安全核技术公司

超安全核技术公司(USNC-Tech)提议制造一种 20 kWe (千韦,磁通量单位)等级、500 公斤的干质量放射性同位素电子推进器,它由新型可充电原子电池(CAB)提供动力,采用该推进器的航天器飞行速度很快,能够勘测太阳系外天体,并收集样本,并在 10 年之内返回地球。样本采集数据和星际天体数据可能从根本上改变我们对宇宙以及地球所在位置的认知观点,在过去 3 年里,有两颗太阳系外天体(Oumuamua 和 C/2019 Q4)已经穿越太阳系,我们必须做好准备勘测下一个进入太阳系的系外天体。

11、轻量级太阳帆(APPLE)

约瑟夫 · 内马尼克,航空航天公司

轻量级太阳帆是一种能在低质量、快速运行的太空平台上执行深太阳系任务的架构,我们研制了一种可替代的运载工具架构,它整合了寿命长、峰值功率、可充电、模块化的电力系统和太阳帆推进系统,该装置能适用完成最新太空探索任务。新太阳帆飞行速度快,并能抵达太阳系远端,例如:用 6 个月时间抵达木星附近,1 年时间抵达土星附近,4 年时间抵达冥王星。虽然推进系统是该太阳帆的设计关键环节,但该飞行任务必须具备动力系统,APPLE 包括一个耐用的抗辐射电池。

12、使用原位推进剂返回土卫六样本

史蒂文 · 奥尔森,美国宇航局格林研究中心

使用原位推进剂返回土卫六样本的方案获得美国宇航局的关注,该方案 “就地取材”,利用土卫六表面物质制成挥发性推进剂,该方案与其他所有传统原地资源利用概念相差很大,它将实现对行星科学、天体生物学和理解生命起源的巨大科学价值的回归,同时,这比其他样本返回任务(距离大小和能量等级)的难度大一个数量等级。

13、洞穴机器人:在火星洞穴中执行移动操作任务的小型机器人

马可 · 帕沃内,美国斯坦福大学

该任务的目标是开发一种任务架构,其中包括一个远程爬行机器人、锚定位置的机器人,它可以使用延伸吊杆进行移动操作,在行星洞穴复杂地形中探索采样,尤其适用于执行火星探索任务,这款机器人被命名为 “洞穴机器人”,使用可伸缩吊杆作为操作臂,是一种高度可重构机械装置。据悉,该机器人设计汇集了美国斯坦福大学自主机器人、机器人操作、机械设计、仿生抓取和地质行星科学领域的跨学科专家团队。

14、“远视天文台”:原地制造月球远端射电天文台

罗纳德 · 波利丹,月球资源有限公司

我们提议进行远端对接的系统级研究,研究如何在月球远端利用风化层材料建立一个庞大的低频(5-40 兆赫兹)射电天文台,它被称为 “远视天文台”,它将是一个分布在 20×20 千米区域内大型偶极天线阵列,它将开启一扇观测窗口(低频射电),能够洞悉早期宇宙状况,其作用类似于激光干涉引力波天文台(LIGO)和普朗克天文台探测宇宙微波背景辐射。由于地球会制造无线电噪音和电离层干扰,因此在地球表面建造一个低频射电天文台不太现实,“远视天文台”概念将利用原地制造技术,并有时采用地球上进行的系统升级,通常情况下该天文台会长期使用,它与地球发射的完整天线阵任务相比,其成本更低、使用寿命更长。

开发月球表面基础设施(电力系统、能量存储系统、空间制造资产、空间采矿资产),从而实现未来月球表面科学和商业任务,从风化层加工活动中提取和提炼氧气和金属,用于未来月球前哨基地和其他空间制造,以及人类在月球表面和航天活动。

15、通过小行星播种真菌来为太空栖息地创造土壤

简 · 谢维特索夫,跨越宇航公司

任何大型、长期的太空栖息地都需要自己种植大部分食物和回收营养物,对于简单的补给任务而言,用水培方式种植农作物很有意义,但基于土壤的种植系统对无法实现地球物资补给的大型太空基地具有重要优势。

其中科学家拟议的一个太空栖息地设计是旋转的圆柱体,从而创造出人造重力,最多可容纳 8000 人,用于小行星采矿、空间制造和研究等目的,该栖息地是为了实现食物充足,同时具备绿色空间,既支持宇航员的心理健康,又能作为生命支持系统的一部分。在该情形下,农作物水培法将遇到困境,因为基地需要大量机械,同时也会出现故障点,例如:泵和油管,此外,水培系统还需要营养液,很难循环利用农业和人类的排泄物,然而这却很容易在土壤为基础的种植系统中完成,方法是通过堆肥化处理人类排泄物,并将它们放入土壤之中。

目前,我们建议使用富含碳的小行星物质制造土壤,利用真菌物理分解这些物质,在化学角度上有效降解有毒物质,我们将利用真菌将小行星物质转化为土壤,基本的想法是在富含碳的小行星上植入真菌,以促进土壤的形成,真菌擅长分解复杂的有机分子,包括那些对其他生命形式有毒的分子。例如:平菇已被证明可以通过消化石油中的碳氢化合物,成功地清理被石油污染的土壤,菌丝可以穿透很远的距离进入裂缝中,并施加大量的压力,从物理上破坏岩石,有些甚至生长在岩石内部,事实上,有证据表明真菌在地球早期土壤形成过程中发挥着关键作用。

16、光线反射镜

查尔斯 · 泰勒,美国宇航局兰利研究中心

光线反射镜是一个在月球表面发电和分配能量的新概念,它是在 “阿尔忒弥斯号”任务以及随后 “人类长期在月球表面生存”的未来背景下实现的,该创新概念基于一个定日镜,它利用卡塞格伦光学望远镜作为主要手段来捕捉、集中和聚焦太阳光线,第二个关键环节是使用菲涅尔透镜校准光线,并在 1 公里或者更远的距离向多个终端用户分布。重新定向和集中太阳能,然后向终端用户分布,使用小型光伏阵列(2-4 米直径)转换成电能,该装置可以安装在太空栖息地,将太阳能转化为电能。

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关键词:NASA月球火星机器人

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