怎樣低成本製造無重力條件：佐治亞理工想用四軸無人機實現

科學家們一直希望找到成本更低的零重力實現方法，四軸無人機可能會是這個問題的答案。

在航空航太領域裡，最搞笑的一個項目就是所謂的“嘔吐彗星”——它是美國航空航天局想出來的一個宇航員訓練專案，需要讓宇航員進入到一個以抛物線軌道飛行的模擬艙內，模擬零重力飛行。這些飛行器會被宇航員使用訓練體驗失重狀況，有時也會提供給那些想要體驗零重力感覺的人做些嘗試，“嘔吐彗星”每次的時間間隔大約為 25 秒。當然啦，這些飛行器還有其他用途，比如借給好萊塢使用——著名電影《阿波羅 13 號》的很多場景都是在嘔吐彗星零飛行器內零重力環境下拍攝的。

此外，很多科學家也會使用嘔吐彗星飛行器來進行一些微重力（或零重力）條件下的科學實驗。不過，嘔吐彗星飛行器價格並不便宜，每公斤成本高達 3000 美元，而且還要提前好幾個月、甚至好幾年去預定，所以對於“拮据”的科學家們而言，想要重複做一些零重力實驗，使用嘔吐彗星飛行器幾乎是不可能的。

另一個選擇是微重力（零重力）落塔實驗，落塔可進行流體物理、非金屬材料燃燒、液體管理等微重力實驗研究,為航太飛行器載荷搭載實驗及其防火技術預研提供了便利的實驗手段。不過，落塔一樣很難預約，而且價格也非常昂貴。

哦！當然還有最後一個選擇——搭乘太空梭或太空船去國際空間站，不用說，這個成本最貴，也沒有人能夠承擔的起。

因此，科學家非常想有一個成本更低、更方便的選擇，至少在有條件能負擔得起更昂貴的零重力實驗之前，能夠測試一些設計原理也好。

現在，他們的願望終於實現了，或者說，接近於實現了——這要感謝亞特蘭大的佐治亞理工學院的 Juan-Pablo Afman 和他的小夥伴們，他們想到了一個方法，利用一個無人機在短時間內製造出了零重力條件。而且，該解決方案不僅十分靈活，易於複製，而且相比於上面提到的所有方法，成本都低。

實際上，這個目標其實並不複雜，無非就是希望能夠實現至少五秒的自由落體，並且在法規約束條件下合法運行，同時還要將整套系統的成本控制在 2.5 萬美元之內。

但是，說起來容易做起來難，真正操作這套系統，要比聽上去的困難許多。Afman 和他的同事們很快發現，當把四軸飛行器上升到一定高度、關掉發動機之後，它並不會產生零重力，這是因為在下落的過程中，會產生空氣阻力。

更糟糕的是，旋翼工作時所產生的力量往往很不穩定，因此即便當發動機切換回來開始運行之後，飛行器依然會難以恢復正常。Afman 說道：由於推力幾乎接近為零，會導致整個飛行器在機動作業時無法保持正確的姿勢，這對於飛行器來說會帶來災難性的結果。

上圖展示了一部配置可變螺距轉子的零重力四軸飛行器所能夠產生的力量

問題是這種固定的飛行器轉子是絕大多數四軸飛行器的標準配置，但它們卻無法產生必要的、維持零重力的力量，也無法確保飛行器在自由落體的時候保持機身穩定。因此，Afman 的團隊決定自己改造四軸飛行器的可變螺距轉子設計，讓它能夠從六個角度隨時控制飛行器的穩定度。

此外，該團隊遇到的另一個問題就是監管約束，事實上，美國和歐洲的空中交通監管部門規定四軸飛行器的飛行高度不能超過 120 米，而且飛行器重量也不能超過 25 千克，這些條件也給 Afman 和和他的團隊帶來了極大的挑戰。

不過儘管如此，由於 Afman 設計的飛行器飛行軌道只需要在保持穩定控制的前提下，產生五秒時間的零重力效果，因此監管機構的約束條件對他們影響並不算太大。

在安全方面，該研發團隊還在四軸飛行器內部設定了一個默認的地理空間飛行距離，即便它的電量耗盡，也能在規定時間內飛行一段基本距離——他們稱這種功能為“地理圍欄（geofence）”，極大地確保了四軸飛行器的使用安全性。

除了在硬體設計上做了很多努力，Afman 的團隊還研發了一款配套軟體，允許使用者針對不同實驗的特殊要求，自訂設計飛行器的飛行軌道、以及所需要的零重力實驗時間。

雖然所有這一切聽上去讓人感覺耳目一新，但到目前為止，這套零重力四軸飛行器系統還沒有嘗試過任何零重力飛行試驗，之所以會這樣，主要是因為他們在可變螺距轉子的設計工作上耗費了大量時間。不過，該研發團隊已經承諾會在本月末執行一些零重力實驗任務，屆時我們就可以看到這款飛行器的性能表現了。

無論如何，佐治亞理工學院研發團隊所設計的這套零重力四軸飛行器系統説明零重力研究向前邁進了一大步。更重要的是，該系統的價格也相對非常實惠，很多研究機構、甚至學校都能負擔得起。當然啦，該系統最大的好處，可能就是以後人們在嘗試零重力實驗時，也不用嘔吐了。

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