不用航天器，四旋翼飞行器就能完成零重力实验

　　 科学家一直在寻找较为廉价的方法来实现“零重力”的实验条件。最近，四旋翼飞行器成为了热门选择之一。

“Vomit comets”航空器是NASA推出的著名航空工程之一，它通过抛物线的飞行轨迹模拟出零重力的飞机条件。这些飞行器可以提供约25秒的失重条件，常用作宇航员的训练，或者提供给那些想要体验零重力的人们。除此之外，Vomit comets还充当过其他重要角色：《阿波罗13号》电影中的大多数失重场景都是在呕吐彗星中完成拍摄的。

Vomitcomets也是科学家们在微重力条件下进行实验的选择之一。然而，它的运行成本高达3000美元/公斤。另外，即使费用不是问题，要使用它也至少需要提前几个月甚至几年来预约。因此，对于有重复性要求的实验显然这不是一个好选择。

另一个选择是大家熟悉的“跳楼机”（drop tower）。这些设备不需要提前预定，但运行起来也同样昂贵。

除此之外的第三选择，恐怕只有国际空间站或者在轨运行的飞行器了。可想而知，利用这类设备的成本也近乎天价。

因此，科学家们一直期待可以有一种更为廉价和快捷的选择，至少可以用于前期的理论验证阶段。

　　现在，他们的愿望已经接近实现。来自亚特兰大佐治亚理工学院的Juan-Pablo Afman和他的同事提出了使用自主式四轴飞行器实现短时间零重力的设想。他们的解决方案高度灵活，容易重复。 最重要的是：便宜！

　　 图中示意了具有可变桨距马达的零重力四轴飞行器可产生的力

　　他们的目标简单： 在现有法律框架下，用低于25,000美元的系统实现至少五秒钟的零重力条件。

然而，实际操作起来并不像听起来那么容易。 Afman和他的同事很快发现，将四轴飞行器飞行到一定高度并关闭电机并不能产生零重力，因为飞行器在下降过程中存在空气阻力。

更糟的是，下降过程中产生的反作用力导致了严重的不稳定性，使得飞行器即使在电机重新开启的状态下也难以恢复平衡姿势。研究人员说：“如果飞行器在整个过程中不能保持姿态的话，极其容易造成坠机风险”。

问题的关键在于，目前大多数四轴飞行器配备的标准固定平面马达不能产生保持零重力并且在自由落体期间使飞行器稳定的力。因此，该团队提出了变桨距马达设计方案，使其在任何时候都能以六个自由度控制飞行器。

他们还面临来自法律监管的挑战。在欧洲或美国，四轴飞行器的飞行高度不能超过120米，重量不能超过约25公斤。这极大的限制了四轴飞行器可以携带的实验设备数量。

　　即使如此，佐治亚理工的团队仍然相信，通过设计相应的飞行轨迹， 他们可以产生长达五秒的零重力条件 ，同时实现对飞行器空中姿态的完全控制。

为了安全起见，该团队定义了四轴飞行器可以飞行的最大空间，即在失去动力的情况下飞行器通过弹道滑行可以到达的最远距离，他们称之为“地理围栏”，通过划定试验区域来确保整个实验过程的相对安全。

该团队还创建了对应的软件，允许用户自定义特定实验条件下的飞行轨迹和零重力时间。

然而，尽管他们已经做了大量的地面准备实验，但是目前还没有进行空中实验。这主要是马达设计的进度要比预期要慢一些。他们承诺最晚将在2016年年底进行空中的零重力飞行实验。

　　不过即便如此，这项工作仍是零重力研究向前迈进的一个重要标志。廉价的四轴飞行器使其可以被更多科研机构，甚至学校所使用。可以预见，如果最终这一实验证明有效的话，将会激起人们对零重力实验新一轮 的热情。

　　 编辑：梁博深

　　 参考：MIT Technology Review

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