怎样低成本制造无重力条件：佐治亚理工想用四轴无人机实现

科学家们一直希望找到成本更低的零重力实现方法，四轴无人机可能会是这个问题的答案。

在航空航天领域里，最搞笑的一个项目就是所谓的“呕吐彗星”——它是美国航空航天局想出来的一个宇航员训练项目，需要让宇航员进入到一个以抛物线轨道飞行的模拟舱内，模拟零重力飞行。这些飞行器会被宇航员使用训练体验失重状况，有时也会提供给那些想要体验零重力感觉的人做些尝试，“呕吐彗星”每次的时间间隔大约为 25 秒。当然啦，这些飞行器还有其他用途，比如借给好莱坞使用——著名电影《阿波罗 13 号》的很多场景都是在呕吐彗星零飞行器内零重力环境下拍摄的。

此外，很多科学家也会使用呕吐彗星飞行器来进行一些微重力（或零重力）条件下的科学实验。不过，呕吐彗星飞行器价格并不便宜，每公斤成本高达 3000 美元，而且还要提前好几个月、甚至好几年去预定，所以对于“拮据”的科学家们而言，想要重复做一些零重力实验，使用呕吐彗星飞行器几乎是不可能的。

另一个选择是微重力（零重力）落塔实验，落塔可进行流体物理、非金属材料燃烧、液体管理等微重力实验研究,为航天飞行器载荷搭载实验及其防火技术预研提供了便利的实验手段。不过，落塔一样很难预约，而且价格也非常昂贵。

哦！当然还有最后一个选择——搭乘航天飞机或宇宙飞船去国际空间站，不用说，这个成本最贵，也没有人能够承担的起。

因此，科学家非常想有一个成本更低、更方便的选择，至少在有条件能负担得起更昂贵的零重力实验之前，能够测试一些设计原理也好。

现在，他们的愿望终于实现了，或者说，接近于实现了——这要感谢亚特兰大的佐治亚理工学院的 Juan-Pablo Afman 和他的小伙伴们，他们想到了一个方法，利用一个无人机在短时间内制造出了零重力条件。而且，该解决方案不仅十分灵活，易于复制，而且相比于上面提到的所有方法，成本都低。

实际上，这个目标其实并不复杂，无非就是希望能够实现至少五秒的自由落体，并且在法规约束条件下合法运行，同时还要将整套系统的成本控制在 2.5 万美元之内。

但是，说起来容易做起来难，真正操作这套系统，要比听上去的困难许多。Afman 和他的同事们很快发现，当把四轴飞行器上升到一定高度、关掉发动机之后，它并不会产生零重力，这是因为在下落的过程中，会产生空气阻力。

更糟糕的是，旋翼工作时所产生的力量往往很不稳定，因此即便当发动机切换回来开始运行之后，飞行器依然会难以恢复正常。Afman 说道：由于推力几乎接近为零，会导致整个飞行器在机动作业时无法保持正确的姿势，这对于飞行器来说会带来灾难性的结果。

上图展示了一部配置可变螺距转子的零重力四轴飞行器所能够产生的力量

问题是这种固定的飞行器转子是绝大多数四轴飞行器的标准配置，但它们却无法产生必要的、维持零重力的力量，也无法确保飞行器在自由落体的时候保持机身稳定。因此，Afman 的团队决定自己改造四轴飞行器的可变螺距转子设计，让它能够从六个角度随时控制飞行器的稳定度。

此外，该团队遇到的另一个问题就是监管约束，事实上，美国和欧洲的空中交通监管部门规定四轴飞行器的飞行高度不能超过 120 米，而且飞行器重量也不能超过 25 千克，这些条件也给 Afman 和和他的团队带来了极大的挑战。

不过尽管如此，由于 Afman 设计的飞行器飞行轨道只需要在保持稳定控制的前提下，产生五秒时间的零重力效果，因此监管机构的约束条件对他们影响并不算太大。

在安全方面，该研发团队还在四轴飞行器内部设定了一个默认的地理空间飞行距离，即便它的电量耗尽，也能在规定时间内飞行一段基本距离——他们称这种功能为“地理围栏（geofence）”，极大地确保了四轴飞行器的使用安全性。

除了在硬件设计上做了很多努力，Afman 的团队还研发了一款配套软件，允许用户针对不同实验的特殊要求，自定义设计飞行器的飞行轨道、以及所需要的零重力实验时间。

虽然所有这一切听上去让人感觉耳目一新，但到目前为止，这套零重力四轴飞行器系统还没有尝试过任何零重力飞行试验，之所以会这样，主要是因为他们在可变螺距转子的设计工作上耗费了大量时间。不过，该研发团队已经承诺会在本月末执行一些零重力实验任务，届时我们就可以看到这款飞行器的性能表现了。

无论如何，佐治亚理工学院研发团队所设计的这套零重力四轴飞行器系统帮助零重力研究向前迈进了一大步。更重要的是，该系统的价格也相对非常实惠，很多研究机构、甚至学校都能负担得起。当然啦，该系统最大的好处，可能就是以后人们在尝试零重力实验时，也不用呕吐了。

Via: TR

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