热交换驱动的金星探测飞机

　　3秒预览
　　金星在夜空中的亮度仅次于月球，是第二亮的天体，视星等可以达到-4.7等
　　作为天空中最亮的天体之一，金星在史前时代就已为人所知。20 世纪 50 年代后期，人类就开始用射电望远镜观测金星的表面。通过地面的各种观测发现，金星有着厚厚的大气层，地面观测无法看到金星表面的特征。1961 年 2 月 12 日，苏联发射的金星 1 号探测器从金星附近掠过，拉开了金星探测的序幕。3分钟知识拓展
　　水手10号拍摄的金星紫外线照片
　　自1961年前苏联探测器＂金星1号＂飞掠金星起。人类已累计执行过46次金星探测任务。探测的类型包括撞击、飞掠、登陆、大气层探测等。1974年，水手10号在经金星助推飞往水星途中，拍摄了云层的紫外线照片，揭示了金星大气异常高的风速。
　　前苏联探测器金星9号于1975年10月22日进入轨道，成为金星的第一颗人造卫星。一台电池相机和光谱仪传回了有关该行星云层、电离层和磁层的信息，并对地表进行了雷达测量。660千克(1455磅)重的下降舱从金星9号分离并着陆，拍摄了首张表面照片，并用伽马射线光谱仪和密度计分析了地壳。在下降过程中，进行了压力、温度和光度测量，以及云密度的后向散射和多角度散射(浊度计)测量。发现金星云层共分为三层。
　　金星9号从金星表面传回的首张照片三分钟速读
　　如今NASA（美国国家航空航天局）、ESA（欧洲空间局）、ISRO（印度太空研究组织）、俄罗斯国家航天集团等单位仍在积极策划利用轨道器、大气层探测气球、地面机器人、行星飞机等方式探索金星。
　　美国国家航空航天局行星科学研究所于2020年4月8日发表一篇文章，提出了一种用于金星低空和表面探测的热交换驱动飞机。这种固定翼飞机平台能以循环飞行的方式抵近观测多个地点，该种飞机的核心是一种利用金星大气热量为飞机提供动力的系统。据文章介绍，该飞机从约4万米的高度快速降至地表附近并巡航，而来自大气的热量被吸收至飞机内部的储热材料中，在热交换器与周围空气达到热平衡后，飞机会利用储存的能量快速爬升到更高的高度，并利用高海拔较低的气温提高机载热机（如斯特林发动机）的效率。（由卡诺定理可以知道，当热机工作的高温热源与低温热源之间的温差越大，热机工作的热效率越高，而斯特林发动机是目前唯一一种能达到卡诺效率的热机）热机转换的能量储存在飞机的电池中，为推进、科学仪器的操作和通信提供动力。
　　在飞机与外界空气达到热平衡后，它再次俯冲至低空，然后重复这个循环多次。而金星飞机在两个任务地点之间的转场即可视为一个循环，例如飞机在一个任务地点执行完观测任务后，它已储存了足够的热量，这时它就能在飞向下一个任务地点的过程中在4万米高空完成热机做功的过程，并在下一个任务地点吸收热量，如此循环往复执行观测任务。这种循环概念利用了金星大气表面和高海拔之间的温差这一特性，金星大气中0到4万米里之间的温差在锂金属中产生的热能约是将该飞机提升到4万米里高度所需的势能的3.25倍。如果能够设计出端到端效率大于约31%的热交换系统，那么高度/温度循环将形成一个闭环，驱动飞机飞行循环往复地执行更多的观测任务。
　　金星飞机（想象图）一分钟总结展望
　　从总体设计角度来看，金星飞机想法新颖，但仍有不足，首先金星的大气层中超过96%的成分都是二氧化碳，金星大气压是地球92倍，温度高达462摄氏度，此外，金星大气中还含有硫酸形成的不透明云。这就对整个飞机的设计与材料提出了更高的要求。所以，除了机载热机，我认为还能通过结构更为简单，可靠性更佳的温差发电作为机载热机的补充，同时尽量降低机载探测/通讯设备的功耗，增加适当的导航与避障传感器（例如使用基于激光扫描仪的云高计来检测飞机与硫酸云间的距离），避免飞机一头扎进硫酸云里而导致飞机材料被腐蚀。这样才能使金星飞机执行探测任务提供更有力的保障。
　　042100114 陈钢（指导教师：闻新）