漂浮的特技飞行器可能是探索金星云顶的最佳方式

　　根据多条证据，金星曾经是一颗与今天大不相同的行星。但大约 5 亿年前，一次大规模的表面重修事件引发了失控的温室效应，导致了我们今天在那里看到的炎热、有毒和地狱般的环境。因此，对金星的研究为模拟行星环境的演化提供了机会，可以作为未来可能发生的事情的参考。
　　在未来几年，美国宇航局计划向金星发送轻于空气的任务，以探索云顶上方的大气层，那里的温度稳定，大气压力与地球相当。在 NASA 的支持下，西弗吉尼亚大学(WVU) 的工程师正在开发软件，使基于气球的空中机器人 (aerobots) 能够在小型舰队中调查金星的大气层。
　　该研究由西弗吉尼亚大学机械与航空航天工程系的两位副教授Guilherme Pereira和Yu Gu领导。加入他们的还有 Bernardo Martinez Rocamora Jr.、Chizhao Yang 和 Anna Puigvert i Juan，两位航空航天和机械工程博士生和机械工程硕士生（分别）。他们的研究得到了 NASA既定的促进竞争研究计划(EPSCoR) 的100,000 美元赠款的支持。
　　探索云顶
　　金星吸引科学家的部分原因是它与地球的相似之处。事实上，金星俗称地球的＂姐妹行星＂，因为它也是一个陆地天体，主要由硅酸盐矿物和金属组成，并分化为金属核和硅酸盐地幔和地壳。然而，金星的大气层是一个完全不同的故事。除了足够热以熔化铅 - 平均温度为 464  C (867  F) - 以及密度是地球的 90 多倍的大气。
　　但在地表上方 50-70 公里的高度，金星大气的温度和压力与地球相似。这为使用轻于空气的车辆进行大气研究提供了机会。提案包括美国宇航局的高空金星操作概念，这是一个为期 30 天的载人任务的一系列概念，该任务将使用大型轻于空气的飞行器探索金星的高层大气。
　　虽然这个项目不再活跃，但它激发了随后的提议，比如金星大气机动平台(VAMP)，这是一种由 NASA 及其商业合作伙伴诺斯罗普格鲁曼公司正在开发的混合飞艇。这些概念依靠浮力和空气动力学生命来控制它们的高度，让它们在白天像飞机一样飞行，并在夜间漂浮以节省能源。
　　然而，直到现在，还没有努力创建允许这些飞行器自主行动的软件。正如 Pereira 教授在最近的 WVU Today新闻稿中解释的那样：
　　＂该项目的主要目标是提出一种软件解决方案，使混合飞行器能够探索金星的大气层。虽然在这个项目之前就提出了混合动力汽车，但我们不知道是否已经创建了任何软件。我们项目的一个想法是通过规划节能路径来延长车辆的电池寿命，从而使其也能在夜间飞行。＂
　　导航金星的大气
　　Pereira 和 Gu 目前正在开发的软件套件将有三个主要目标：优化旅行路线，在金星大气中定位飞行机器人，以及协调飞行机器人车队协同工作。第一个目标涉及创建一个＂运动平面＂，它将在飞行机器人的计算机上运行并允许优化旅行。当 NASA 科学团队命令飞行机器人从一个位置移动到另一个位置时，该软件将选择能够最大限度地减少能量消耗并利用当地风的路线。
　　＂运动规划器将通过了解飞行机器人的动力学、太阳能电池板和电池的特性以及金星大气的特性来创建，＂佩雷拉说。对于飞行器的动力学，规划人员将只考虑给定飞机的某些输入时可行的运动，例如来自螺旋桨的推力或控制面的偏转。＂
　　为此，软件必须考虑飞行器太阳能电池板、电池和太阳能强度的互操作性。这将使其能够确定车辆为其系统供电所需的电量以及充电速率。Pereira 解释说，有了这些模型，运动规划器将计算出飞行机器人采取的最节能的路线：
　　＂对大气的理解为机器人提供了数量，如风向和大小、压力、温度和太阳强度。我们正在努力制定最佳能源战略。这很重要，因为该飞行器将在大约四天内绕金星大气层运行。它将长时间暴露在地球阴暗面没有光照的环境中，它需要有足够的能量来度过这些时期。＂
　　该航天器每四到六天环绕金星一次，太阳能电池板每两到三天在被太阳照亮的行星一侧充电。
　　运动规划器还将比较有关飞行机器人位置的信息、其期望的目标位置以及有关这两个位置之间的大气条件的信息。例如，如果风向与飞行机器人到达目的地的路径相同，它将选择这条路线而不是另一条会产生风阻的路线。
　　＂从初始位置开始，规划器将模拟飞行机器人可以进行的不同运动，并根据前面提到的数量关联每个运动的成本，＂佩雷拉补充道。＂在那之后，运动规划器将继续以较小的成本传播飞行机器人的运动，创造一棵可能性树，直到我们到达目的地。＂
　　第二个目标，即在金星大气中定位飞行机器人，则更为复杂。目前，金星周围的轨道上没有 GPS 卫星，定位困难。因此，Pereira 和 Gu 正在设计他们的软件套件，以便能够使用来自其他车辆和地球地图的信息。这将允许多个飞行机器人在金星云顶导航时跟踪他们的位置。
　　第三个目标是协调车辆以提供改进的定位，以便它们可以更好地估计金星的大气条件。为此，佩雷拉和古依靠美国宇航局根据先驱金星任务、卡西尼-惠更斯号、信使号和欧空局的金星快车等任务获得的数据创建的金星大气风模型。他们还计划为每个飞行机器人配备风传感器，以估计当地的风速和风向。
　　Black Swift Technologies 赢得了 NASA 的合同，开发无人机来研究金星的高层大气。
　　Pereira 说，通过共享来自多个位置的数据，一组飞行机器人将更好地了解整体风模式及其在大气中的空间分布：
　　＂风流的重要性与这样一个事实有关，即可以利用它将飞行机器人带到所需的位置。就像奥运会中的短跑运动员一样，如果他们遇到顺风，就会获得更好的分数。如果风直接吹向飞机的目标，则飞行机器人的运动将得到风的帮助，因此路径将更加高效。＂
　　展望未来，Pereira 和 Gu 计划开发一个金星大气模拟器来评估他们的软件和飞行机器人的功能。＂对金星的几次探索任务收集了风、温度、压力和空气密度的数据，＂佩雷拉说。＂然后，这些信息被用来创建一个模拟器，根据车辆的纬度、经度和高度，我们计算作用在车辆上的所有力。＂
　　Pereira 和 Gu 估计，车辆的浮力将阻止它下降到 50 公里以下的高度，并且使用寿命为几个月到一年。此次和其他金星任务获得的数据有望揭示这颗行星大气层的演变、金星仍然火山活动的可能性，并为处理地球上的温室效应提供线索。