“蜻蜓”号与保护性后壳分离后,自主飞越土星卫星“泰坦”的沙丘,扫描下方地形寻找安全着陆点;发现合适位置后转向、下降并着陆,完成在土星最大卫星表面的首次触地。
这是一次成功的“首飞”——只不过并非发生在“泰坦”上,而是在马里兰州劳雷尔的约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的一台计算机测试平台上,该飞行器正在那里进行集成与测试。这是迄今对“蜻蜓”号“首飞”最全面的测试,采用接近真实飞行的航空电子设备实时运行,涵盖了该飞行器2034年抵达“泰坦”时将使用的大部分系统和机动动作。
“蜻蜓”号计划最早于2028年发射,经过六年航行抵达“泰坦”,随后用三年时间在不同地点之间飞行,考察多种站点,研究这颗类地卫星的化学、地质和大气,最终加深我们对生命化学起源的理解。
APL“蜻蜓”号移动子系统首席工程师扎克·普特南表示:“首飞最酷的地方在于,它是我们最具挑战性的一次飞行,用到了着陆器上所有的飞行传感器硬件。”
此次测试将飞行软件和航空电子设备与模拟传感器数据输入结合起来,这些传感器包括新安装的导航相机、惯性测量单元和激光雷达系统。
这是一个历经数年才实现的里程碑。团队循序渐进地构建“蜻蜓”号的飞行能力,最初模拟单个旋翼旋转等相对简单的动作,此后的测试演示了短距离“ reposition”飞行和部分侦察飞行,每一步都增加了更多传感器和能力。
普特南说:“正是这种循序渐进的方式,才让我们得以搭建出这些测试。”激光雷达——用于测量地形高度和坡度、识别潜在危险——的加入,补齐了完整模拟飞行器在“泰坦”上所遇情况的最后一块拼图。
团队为激光雷达生成了模拟地形,并实时生成导航相机将看到的图像。一套定制的相机模拟器利用图形处理器渲染每个模拟“泰坦”场景,曝光时间约为20至70毫秒,与“蜻蜓”号相机飞行时使用的曝光时间大致相同。
在接近真实飞行的硬件上运行完整流程,让团队获得了观察各部件如何交互的重要机会——包括信息在着陆器各进程之间传递时以毫秒计的细节。普特南说:“这些测试有力地验证了所有部件能够协同工作。”
未来还有更多测试。团队计划在“蜻蜓”号真正的飞行系统(而非测试平台)上运行首飞,使用其航空电子设备。工程师还将测试其他飞行剖面,并故意引入故障,以确保出现问题时“蜻蜓”号能够自主应对。
普特南说:“这种自主能力在‘泰坦’上至关重要,因为‘蜻蜓’号必须在没有地球实时帮助的情况下飞行。我们在‘泰坦’上做的一切都必须自主完成。”
摆好“姿势”
在“蜻蜓”号于“泰坦”上进行首次飞行之前,它必须先调整到能够飞行的位置。相关测试也在进行中,以确保负责这一关键步骤的机构能将飞行器降至进入系统后壳下方,使其能够在与进入系统分离前安全启动旋翼,并开始向“泰坦”表面的最后下降。
此次测试活动评估“蜻蜓”号的“姿态”机构——该系统将飞行器从后壳内的收拢位置降下,调整到在“泰坦”下降过程中释放所需的位置。科罗拉多州洛克希德·马丁公司的工程师们——那里正在组装“蜻蜓”号行星际巡航级以及大气进入、下降和着陆组件的各部件——最近用代表性质量进行了静态测试,对机构施加推拉载荷以验证其能承受预期负荷;还进行了展开测试,观察系统下降的平稳程度和速度,以及是否能牢固锁定到位。
测试还考虑了“蜻蜓”号展开时后壳可能在降落伞下摆动的情况。工程师将测试硬件倾斜到不同角度并重复展开,以确认机构在各种条件下都能正常工作。
姿态结构将后壳连接到一个铝制接口结构上,该接口结构再与“蜻蜓”号着陆器相连。在实际下降过程中,姿态机构会先降下该接口——连同“蜻蜓”号一起——随后飞行器分离并依靠自身动力开始飞行。这些测试旨在确保这一关键过渡在“蜻蜓”号于距地球近10亿英里之外真正执行之前能够可靠工作。