航天器“跳起來”——探測外星球的“新潮流”

9月4日，印度月船3號著陸器在進(jìn)入休眠前，曾在月球表面完成了一次跳躍。印度空間組織表示，著陸器啟動發(fā)動機(jī)進(jìn)行了約40厘米高度的一次跳躍，并在距離起跳點(diǎn)大約30~40厘米的地方軟著陸。印度著陸器的“跳躍”操作并不稀奇，事實(shí)上在太空探索領(lǐng)域，“航天器跳起來”越來越成為一種流行的地外星球探測方式。

跳躍探測成潮流

目前人類送往地外星球表面的探測器可分為固定的著陸器和可移動的巡視器兩類，前者開展原位探測，后者則離開著陸點(diǎn)，實(shí)施移動探測。不過，輪式巡視器雖然探測范圍擴(kuò)大了不少，但也非常容易受到巖石、溝壑等地形障礙的限制，探測效率仍有待提高。

日本隼鳥2號探測器上的MINERVA-II-1跳躍探測器

此外，在進(jìn)行彗星和小行星等超低重力環(huán)境的表面探測任務(wù)時，巡視器還要面臨無法貼合地面的問題，這無疑增大了探測任務(wù)的難度。

針對這一現(xiàn)狀，科研人員開始關(guān)注地形適應(yīng)性更好的跳躍探測器。相比輪式探測器，跳躍探測器不僅結(jié)構(gòu)簡單，還可以在崎嶇地形上移動更長的距離，尤其在微重力的環(huán)境下具有明顯技術(shù)優(yōu)勢。

此外，在尋找水冰資源的探測任務(wù)方面，跳躍探測器的作用更是獨(dú)到。由于水冰大多存儲在地外星球的永久陰影區(qū)內(nèi)，探測設(shè)備往往很難抵達(dá)，只有采用跳躍探測器才能實(shí)現(xiàn)近距離探測。根據(jù)公開資料，中國將向月球南極發(fā)射的嫦娥七號探測器，其上搭載的飛躍探測器就可以直接“飛”進(jìn)永久陰影區(qū)尋找水冰資源。而且它在完成一次探測任務(wù)后，還可以“飛”回光照區(qū)進(jìn)行充電，以便繼續(xù)執(zhí)行下一次永久陰影區(qū)的探測任務(wù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造型多

按照外形結(jié)構(gòu)，跳躍探測器一般可分為腿式、球式和立方體式等。腿式探測器即目前常見的多足機(jī)器人，而球式探測器則是將探測儀器“包裹”于球形外殼之中。目前在小天體表面探測任務(wù)中，科研機(jī)構(gòu)更多偏向于立方體式跳躍探測器，相較于腿式和球式，立方體式探測器不僅結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，還具有表面穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

模擬圖，MINERVA-II1中的Rover-1A和Rover-1B降落在小行星龍宮。

按照驅(qū)動方式，跳躍探測器又可分為火箭推進(jìn)、壓縮氣體推進(jìn)、動量推進(jìn)和機(jī)械推進(jìn)等類型?；鸺七M(jìn)即探測器利用自身攜帶的剩余推進(jìn)劑，重新啟動發(fā)動機(jī)推動跳躍，這種方式跳躍次數(shù)有限，而且對火箭發(fā)動機(jī)的重復(fù)使用性能提出了要求。

利用壓縮氣體進(jìn)行推進(jìn)，可以用探測器本身所攜帶的壓縮氣體，也可以用探測器周邊環(huán)境中現(xiàn)存的氣體。比如美國曾計(jì)劃推出一種面向火星環(huán)境的小型核動力跳躍探測器。這種探測器在靜止?fàn)顟B(tài)時，器上設(shè)備對周邊地區(qū)展開研究，同時動力裝置則會慢慢吸入周圍的二氧化碳并進(jìn)行冷凍。當(dāng)需要跳躍時，探測器上的核熱裝置便會加熱這些二氧化碳，使其快速氣化，從而產(chǎn)生噴氣流，將探測器抬升至目標(biāo)高空。

利用動量推進(jìn)，則需要先在探測器內(nèi)部安裝一種名為“扭矩器”的設(shè)備，這種設(shè)備實(shí)際上就是一個轉(zhuǎn)動慣量比較大的電機(jī)。在“扭矩器”的驅(qū)動下，跳躍探測器的底板會對星球表面產(chǎn)生一個反作用力，把自己彈起來。通過調(diào)整底板的角度，“扭矩器”可以驅(qū)動探測器向不同的方向跳躍。通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，“扭矩器”還可以改變探測器跳躍的速度。

機(jī)械推進(jìn)更常見于腿式跳躍探測器中。研究人員曾提出一種可跳躍的四足機(jī)器人，其由機(jī)身與4組腿部構(gòu)成，每個腿部包含2個并列對稱放置的電機(jī)，分別驅(qū)動大小腿運(yùn)動。當(dāng)需要跳躍時，可以通過控制關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度，帶動大腿快速轉(zhuǎn)動，改變足端的位置，從而實(shí)現(xiàn)跳躍。

現(xiàn)實(shí)難題跳不過

雖然跳躍探測器在太空探索領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但要實(shí)現(xiàn)探測器的高效運(yùn)動，還需要解決兩大現(xiàn)實(shí)難題：一是如何在每次彈跳落地后，能夠保證探測器恢復(fù)直立，不影響下一次跳躍；二是如何提高探測器自主規(guī)劃路徑的能力。

為了保證著陸的穩(wěn)定性，科研人員除了在探測器的結(jié)構(gòu)和外形上下功夫，還會利用動力學(xué)仿真和地面試驗(yàn)等方式，對跳躍探測器的著陸緩沖效果進(jìn)行驗(yàn)證。

而優(yōu)秀的路徑規(guī)劃則可以減少探測器的跳躍次數(shù)，同時降低與星球表面的碰撞幾率，大大提高探測效率。不過，由于地外星球與地球的通信延遲往往很高，控制人員難以為探測器實(shí)時規(guī)劃路線，這就對跳躍探測器的自主路徑規(guī)劃能力提出了很高的要求。隨著智能化技術(shù)在航天領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，探測器自主規(guī)劃路徑的能力正在穩(wěn)步提高。

未來應(yīng)用前景闊

展望未來，跳躍探測器還可能在以下幾個方面獲得進(jìn)展。首先是核能技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)樵谟谰藐幱皡^(qū)和太陽光易被遮擋區(qū)域，如果探測器仍然完全依賴太陽能，其工作效率和任務(wù)壽命將大打折扣。

而隨著材料和動力等方面的技術(shù)條件更加完善，跳躍探測器未來也可以嘗試大型化方案，以一次性裝載更多的探測設(shè)備。比如國外就曾論證過一種“機(jī)器袋鼠”，它的跳躍高度可以達(dá)到5米，移動速度更是能夠接近時速40公里。

此外，人工智能技術(shù)和仿生學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也將推動地外星球探測器的技術(shù)變革。我們不妨想象，在未來的哪一天，人類制造的新概念探測器在到達(dá)目標(biāo)星球后，可以根據(jù)現(xiàn)場的地貌和氣候條件，自主變形為不同的“機(jī)器生物”，游走于星球的高山深壑之間，將人類對宇宙的認(rèn)知擴(kuò)展到一個全新的領(lǐng)域。

（作者：王江寧）