麻省理工学院工程师测试新型悬浮月球车概念

在月球上，这种表面电荷足以使灰尘悬浮在离地面1米多高的地方，就像静电能使人的头发竖起来一样。

美国宇航局（NASA）和其他机构的工程师最近提议利用这种天然的表面电荷，使滑翔机悬浮起来，滑翔机的机翼由聚酯薄膜制成，这种材料自然拥有与无空气物体表面相同的电荷。他们推断，类似电荷的表面应该相互排斥，产生一种力量，使滑翔机离开地面。但是这样的设计很可能仅限于小型小行星，因为较大的行星体会有更强的反作用力。

麻省理工学院团队的悬浮式漫游车有可能绕过这一尺寸限制。这个概念类似于一个复古风格的圆盘形飞碟，使用微小的离子束为车辆充电，并提高表面的自然电荷。整体效果是为了在车辆和地面之间产生一个相对较大的排斥力，而这种方式只需要很少的能量。在一项初步的可行性研究中，研究人员表明，这样的离子助推力应该足够强大，可以使一个2磅重的小型车辆在月球和像Psyche这样的大型小行星上悬浮。

“我们认为使用这个就像日本航天局发射的隼鸟号任务，”主要作者Oliver Jia-Richards说，他是麻省理工学院航空和航天系的研究生。“那个航天器在一颗小行星周围运行，并在其表面部署了小型漫游车。同样，我们认为未来的任务可以派出小型盘旋车来探索月球和其他小行星的表面。”

该团队的成果发表在本期的《航天器和火箭杂志》上。Jia-Richards的共同作者是Paulo Lozano，M. Alemán-Velasco航空和航天学教授和麻省理工学院空间推进实验室主任；以及前访问学生Sebastian Hampl，现在在麦吉尔大学。

该团队的悬浮设计依赖于使用微型离子推进器，称为离子-液体离子源。这些小型的、微型制造的喷嘴与一个含有室温熔盐形式的离子液体的储存器相连。当施加电压时，液体的离子被带电，并以一定的力量通过喷嘴发射出来。

Lozano的团队率先开发了离子推进器，并主要将其用于推动和物理操纵太空中的小型卫星。最近，Lozano曾看到研究显示月球带电表面对月球尘埃的浮力作用。他还考虑了NASA的静电滑翔机设计，并想知道：装有离子推进器的漫游车能否产生足够的排斥性静电力，在月球和较大的小行星上盘旋？

为了测试这个想法，该团队最初建立了一个小型圆盘形漫游车的模型，该漫游车配有离子推进器，可单独给车辆充电。他们对推进器进行建模，将带负电的离子从车辆中射出，这有效地给车辆带来了正电，类似于月球带正电的表面。但他们发现这还不足以让飞行器离开地面。

“然后我们想，如果我们将自己的电荷转移到表面，以补充其自然电荷，会怎么样？” Jia-Richards说。

通过将额外的推进器对准地面并发射正离子来放大表面的电荷，该团队推断，升力可以对漫游车产生更大的力量，足以使其浮离地面。他们为这种情况建立了一个简单的数学模型，并发现在原则上它可以发挥作用。

基于这个简单的模型，研究小组预测，一个小型的漫游车，重约两磅，可以使用10千伏的离子源，在像Psyche这样的大型小行星上实现离地约一厘米的悬浮。为了在月球上获得类似的升空，同样的漫游车将需要一个50千伏的源。

“这种离子设计使用很少的功率来产生大量的电压，”Lozano解释说。“所需的功率非常小。”

为了确保该模型代表了在空间的真实环境中可能发生的情况，他们在Lozano的实验室里进行了一个简单的方案。研究人员制造了一个小型的六边形测试车，重量约为60克，尺寸约为一个人的手掌大小。他们安装了一个指向上方的离子推进器和四个指向下方的离子推进器，然后用两个校准为抵消地球引力的弹簧将该飞行器悬挂在一个铝制表面。整个装置被放置在一个真空室中，以模拟月球和小行星的无空气环境。

研究人员还将一根钨棒悬挂在实验的弹簧上，并利用其位移来测量推进器每次发射时产生的力量。他们对推进器施加各种电压，并测量所产生的力，然后用这些力来计算飞行器单独可以悬浮的高度。他们发现这些实验结果与他们的模型对同一场景的预测相吻合，使他们相信模型对悬浮在Psyche和月球上的漫游车的预测是现实的。

目前的模型旨在预测简单地实现悬浮所需的条件，对于一个2磅重的车辆来说，刚好离地约1厘米。离子推进器可以用更大的电压产生更多的力，以使车辆离地更高。但是Jia-Richards表示，这个模型需要修改，因为它没有考虑到发射的离子在更高的高度会有什么表现。他说：“原则上，通过更好的建模，我们可以悬浮到更高的高度。”

在这种情况下，Lozano说，未来的月球和小行星任务可以部署漫游车，使用离子推进器在未知的、不平整的地形上安全地悬停和机动。

“有了悬浮式漫游车，你就不必担心车轮或移动部件，”Lozano说。“一颗小行星的地形可能是完全不平坦的，只要你有一个可控的机制来保持你的漫游车悬浮，那么你就可以走过非常粗糙的、未开发的地形，而不必在物理上躲避小行星。”