西風號漫遊車
 「西風號」漫遊車藝術想像圖 | |
| 任務類型 | 偵測 |
|---|---|
| 運營方 | 美國宇航局格倫研究中心 |
| 任務時長 | 50 個地球日[1] |
| 航天器屬性 | |
| 航天器 | 西風號 |
| 航天器類型 | 翼帆漫遊車 |
| 製造方 | 格倫研究中心 |
| 發射質量 | 1581千克(3486磅) |
| 著陸質量 | 220 - 265 千克 |
| 酬載質量 | 23千克(51磅) |
| 功率 | ≥ 98.4 瓦 |
| 任務開始 | |
| 發射日期 | 2039年 (提議)[2] |
| 金星探測車 | |
西風號（英語：Zephyr），是一輛金星機器人漫遊車概念，用以執行名為「金星陸地風帆漫遊車」的任務。該任務設想是將一輛由風力驅動的漫遊車送到金星表面。漫遊車將與環繞金星軌道的太空船一起發射，該太空船將作為通信中繼站，並執行遠程大氣層研究任務[1]。
該漫遊車被設計為可在金星表面運行50天，在極高氣壓下，行駛在高溫和濃硫酸雲籠罩的沙地平原上。無論風向如何，漫遊車都可朝任何方向移動。西風號每天行駛15分鐘以抵達下一處目標[3]，當它進行探測活動時，可綜合使用制動器和風帆停車。漫遊車攜帶有23千克（51磅）的探測設備，包括一架機械臂。整個任務架構旨在實現4分鐘通信延遲狀態下遠程機器人的自主操控能力。
該任務首席研究員是俄亥俄州克利夫蘭市美國宇航局格倫研究中心的傑弗里·蘭迪斯[4]。一旦最關鍵硬件面世並測試過關，蘭迪斯就打算向美國宇航局發現計劃提出該項任務[5]，以爭取撥款並在2039年實現發射[2]。
探測車概述[編輯]
| 西風號 | 技術參數[2] |
|---|---|
| 氣動外罩 | 直徑:3.10米(10.2英尺) |
| 發射質量 | 1581千克(10.2磅) |
| 漫遊車質量 | ≤265千克(584磅) |
| 漫遊車尺寸 | 長:4.62米(15.2英尺) 寬:5.54米(18.2英尺) |
| 翼帆 | 高:5.44米(17.8英尺) 長: 3.10米(10.2英尺) 面積:12米2(130英尺2) |
| 車輪 (x3) | 直徑: 1米(3.4英尺) 寬: 22.9厘米(9英寸) |
| 離地間距 | 0.9米(2.11英尺) |
| 設備質量 | 23千克(51磅) |
| 無線電頻道 | 特高頻 |
| 冷卻系統 | 無 |
自2012年來，科學家傑弗里·蘭迪斯就一直致力於研究由剛性翼帆推動的金星探測車概念，其靈感來自於陸地風帆車[3][5]。該車只有兩個活動部件：風帆和轉向前輪[2]。任務概念被命名為「金星陸地風帆漫遊車」，而漫遊車「西風號」（Zephyr）則取名自古希臘神話中的西風之神——仄費羅斯（Zephyrus）[3]。
為簡化起見，漫遊車的翼帆實際上是剛性的，就像一片垂直的機翼，表面覆蓋着太陽能電池板。雖然可應用的高溫電子設備仍需一定的技術開發，但研究表明，這種運行方式是可行的，並沒發現重大困難。
該漫遊車的設計壽命為50天[1][2]，考慮到金星表面的極端環境條件，此前所有的登陸器和大氣層探測器最多只能運行數小時，因此格倫研究中心團隊決定使用新開發的材料和電子設備，它們不僅要能承受極端的氣壓、腐蝕性大氣和高溫，而且還要能以最少的太陽能運行且無需冷卻系統，這將能大大地減少探測器的着陸質量[6][2]。金星地表溫度為740開（攝氏467°，華氏872°），氣壓為93巴（9.3兆帕），大致相當於地球水下900米（3000英尺）的壓力[7]。要驅動漫遊車，設想地表風速介於0.4米/秒（1.3英尺/秒）至1.3米/秒（4.3英尺/秒）之間。「西風號」將每天行駛15分鐘以到達下一個目標[3]。從前蘇聯金星計劃探測器獲得的圖像中，可以看到金星表面平坦的景觀，平緩的地形一直延伸至地平線，它們所在位置區域只有厘米級大小的岩石，這使得陸地風帆行駛成為可能[4][6]。預期最大不平整表面約為10厘米（9英寸）高[2]，而該漫遊車使用了三隻帶夾板的金屬車輪，每隻車輪直徑1米（3.3英尺）、寬22.9厘米（9英寸）[2]。
來自NASA創新前沿概念（NIAC）項目的撥款，將可幫助研究開發出所需的「金星硬件」系統[3]。事實上，格倫研究中心的技術專家們早已率先開發出了在噴氣發動機內工作的傳感器，這些電子設備甚至可以在金星攝氏450°（華氏842°）的高溫環境下工作[3]。NASA還可能為未來的俄羅斯金星-D任務提供部分這類設備，如安裝在俄羅斯着陸器上的長壽型（24小時）地表探測站[8][9][10]。
2017年，世界圖書出版社出版了反映蘭迪斯研究工作主題的書籍：《美國宇航局發明家傑弗里·蘭迪斯的金星風帆漫遊車》[11][12]。
電源[編輯]
以前的金星登陸器都依靠電池供電，使得操作被限定在最多數小時內，並要依賴隔熱體來延遲系統因過熱而損毀。這次任務的電力系統使用鈉硫電池（NaS），它可由太陽能電板重複充電，能在金星表麵條件下工作，無需笨重的冷卻系統[2][13]。
翼帆和上層甲板將覆蓋磷化銦鎵（InGaP，也稱為GaInP2）太陽能電池板。磷化銦鎵因其良好的特性而廣泛用於太陽能電池板，它也具有足夠寬的帶隙，可在金星高溫下工作，並能對360至660納米波段光作出響應[2]。
儘管金星稠密的雲層阻礙陽光直射地表，但仍有足夠的光線可讓太陽能電池板產生滿足低功率系統所需的電能[6]。探測儀器運行所需電能為98.4瓦，行駛時為68.4瓦，靜態操作（如內部系統管理）為25.3瓦，通信會話時為49.3瓦[2]。
風力[編輯]
當金星地表風速只有1米/秒（3.3英尺/秒）時，在金星的高氣壓和高密度（65千克/米3）環境下，即使如此的低風速也會產生明顯的作用力[3]。
翼帆[編輯]
推進系統是一塊剛性翼帆，垂直安裝在基座上，可通過電機環平均氣動中心旋轉，根據風向產生任何方向的升力（推力）矢量。翼帆還提供了一個更穩定的表面，可在上面安裝為漫遊車上儀器供電的太陽能電池板。在犧牲少量升力的情況下，對稱型平面翼更易於操控。機翼的結構是標準的翼梁、翼肋和蒙皮，並使用耐高溫腐蝕的材料[2]。
該漫遊車在5.5米（18英尺）寬範圍的地面上可保持穩定，但美國宇航局格倫研究中心的項目團隊為防止陣風造成的翻滾，將在系統中安裝一套氣象組件，及時識別出2.39米/秒（7.8英尺/秒）或更高速的持續陣風，以便能有足夠的時間來旋轉翼帆，將其調整到與風向垂直的零升力位置[2]。
太空飛行器外罩的直徑限制翼帆的長度為3.1米（10.2英尺），面積為12米2（130英尺2），離地高度5.44米（17.8英尺）[2]。為便於發射，翼帆被摺疊成三部分存放在太空飛行器外罩內，在傘降並三輪着地後展開。
科探設備[編輯]
漫遊車的眼睛是一架類似金星9號着陸器所用的機械掃描式相機，可在攝氏450°（華氏842°）高溫及金星光照和光譜條件下工作而無需冷卻[2]。該設計將使用線性光電二極管陣列作為光傳感元件，且除焦平面光電二極管陣列外，相機是用碳化硅電子器件製造[2]。
除了成像相機外，漫遊車還將搭載大約23千克（51磅）的科學探測設備，包括一架基於火星探測器「鳳凰號」的機械臂，但為減少複雜性，簡化為雙關節臂。該機械臂上可附着數台探測儀器[5]。規劃搭載的探測設備包括：
- 大氣層探測包：風速計（風速和風向）、溫度計和氣壓表（壓力傳感器）[2]。
- 現場礦物勘探設備：這些儀器將安裝在機械臂的末端，與岩石和風化層接觸，以確定其成分和礦物種類。包括岩石研磨機、檢測成分的α粒子X射線光譜儀（APXS）或能量色散X射線光譜儀（EDAX），以及分析礦物種類的X射線衍射儀[2]。
除地表探測設備外，該任務可能還有在降落過程中運行的科學裝置，也可能會部署固定而不是攜帶在漫遊車上科學儀器，如地震儀[2]。所有的探測數據都將通過耐高溫無線電設備傳輸到太空船，以便整個系統不必安裝冷卻部件[2]。
軌道器[編輯]
由於金星大氣層很厚，來自漫遊車的無線電信號強度和範圍有限，因此需要在任務架構中加入中繼軌道器。在「西風號」分離後，軌道飛行器將通過反推力剎車進入一個高偏心率的環行星軌道。該軌道周期為24小時，可在每個軌道期間與「西風號」通信12至18小時[2]。
金星與地球最接近時，兩者間的通信延遲時間約為4分鐘，這一間隔期太長，無法從地球進行實時控制，因此漫遊車大部分時間都會停車進行觀測，而地面控制人員將會藉此檢查地形並決定下一處目標[5]。
如能得到資助，中繼軌道器還可再搭載一些科學探測設備。
參考文獻[編輯]
- ^ 1.0 1.1 1.2 報道：美國宇航局將於2023年發射一輛金星探測車。 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Neel V. Patel, The Inverse. 2016年2月29日.
- ^ 2.00 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 西風號：前往金星的陸地航行探測車 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. (PDF) Geoffrey A. Landis, Steven R. Oleson, David Grantier, and the COMPASS team. 美國宇航局約翰·格倫研究中心.第65屆國際宇航大會, 加拿大多倫多. February 24, 2015. 報告: IAC-14,A3,P,31x26111
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 揚帆在邪惡的星球上. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 美國宇航局. 2012年5月1日.
- ^ 4.0 4.1 美國航天局計劃在金星上釋放一輛陸地航行探測車. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Jon M. Chang,《ABC 新聞》 26 August 2013.
- ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 美國宇航局金星陸地風帆探測車將於2023年發射. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Bruce Dorminey, Forbes. 29 February 2016.
- ^ 6.0 6.1 6.2 Venus Landsailing Rover. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Geoffrey Landis, NASA Glenn Research Center. 2012.
- ^ Basilevsky, Alexandr T.; Head, James W. The surface of Venus. Rep. Prog. Phys. 2003, 66 (10): 1699–1734. Bibcode:2003RPPh...66.1699B. doi:10.1088/0034-4885/66/10/R04.
- ^ Wall, Mike. 俄罗斯、美国正在考虑联合探访金星. Space. 17 January 2017 [2017-10-29]. （原始內容存檔於2020-07-20）.
- ^ 美國宇航局與俄羅斯空間研究所共同研究金星科學目標[失效連結]. 美國宇航局. 2017年3月10日
- ^ S enske, D.; Zasova, L. 金星-D：通过对金星的全面探索，拓展我们对类地行星气候和地质的视野 (PDF). 美國宇航局. 2017年1月31日 [2017-10-29]. （原始內容 (PDF)存檔於2017-04-27）.
- ^ 美國宇航局發明家傑弗里·蘭迪斯的金星風帆漫遊車 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, ISBN 978-0-7166-6160-3 World Book, Chicago 2017. Retrieved Dec. 7, 2017.
- ^ Heilman, Richard, "聚焦科學家在金星漫遊車上工作的書籍" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, 貝里亞新聞太陽報', Nov. 17 2017. Retrieved Dec, 7, 2017.
- ^ Landis, G. A. and Harrison, R. (2008) 《金星地表作業用電池》、《推進與動力雜誌》, Vol. 26, Number 4, 649-654, 2010年7月/8月; 最初作為第AIAA-2008-5796號論文提交, 第六屆美國航空宇航學會國際能源轉換工程會議, 俄亥俄州克利夫蘭, 2008年7月28日至30日.