太阳能不够用？金星飞行器可以这样做

　　前言：
　　寻找外星生命是一个经久不衰的话题。不说是其他星系，就是在太阳系的其他星球上，我们也希望能够发现一些其他生命的活动痕迹。2020年9月14日，《自然天文学》杂志报道了一项研究，在金星厚厚的硫酸云层中，发现了磷化氢的化学特征。这又燃起了科学家们探索的热情。
　　知识拓展：
　　金星（英语：Venus），在太阳系的八大行星中，是从太阳向外的第二颗行星。它有着四颗类地行星中最浓厚的大气层，其中超过96%都是二氧化碳，金星表面的大气压力是地球的92倍。其表面的平均温度高达735 K（462  C），是太阳系中最热的行星。
　　金星有着浓厚的对流层，表面气压气温较高，但在对流层顶的温度和压力与地球表面类似。另外，金星的风速非常高，最高可达到100 m/s，是金星自转速度的60倍；另一方面，金星的风速随高度下降而降低，在表面时风速大约是10 km/h。
　　飞行器介绍：
　　基于金星的特殊环境， Eldar Noe Dobrea 博士希望研究出一种由热交换驱动的固定翼飞行器，使它能够持续飞行，到达金星表面的多个地点。这项研究核心的在于一个能够利用金星大气热量工作的热交换发动机。
　　在这个任务的设想中，这个飞行器将迅速地从大约40km的高度下降到临近地表，并进行巡航飞行。这时，大气中的热量也被吸收到了飞行器的散热材料中。当散热器与周围的大气达到热平衡之后，飞行器将使用储存的能量快速地爬升到高海拔大气中，通过一个机载热机（比如斯特林发动机）与外部的冷空气进行热交换。在这个过程中热机被驱动并获得能量。这些能量将被储存到飞行器的电池中，为飞行、科学仪器的工作和通信提供动力。当散热器与外部空气再次达到热平衡之后，它将再次下降到低海拔大气中。在能量收支平衡的情况下多次重复这个循环过程，就可以达到持续飞行的效果。
　　如果我们可以精心设计一种热机，那么我们就可以利用金星表面和高海拔大气之间的温差，为飞行器提供比将它从低海拔提升到高海拔所需更多的能量。例如，从金星40km到地表，大气为金属锂提供的热量比把它升高到40km高度所需的能量大3.25倍。也就是说，如果可以借此设计出一种具有31%以上的效率的飞行器，那么这个高度—温度循环将可以持续进行。
　　（传统斯特林发动机简略图）
　　传统斯特林发动机简略图
　　项目优势：
　　金星浓厚的大气层和表面的高温高压环境，为着陆器的着陆过程和地表工作带来了不小的挑战。而此项目的成功率则可以得到一定的提高。
　　金星有着由二氧化硫和硫酸液滴组成的极厚云层，这会对太阳能板的工作效率产生显著影响。而另一方面，金星表层大气和高空大气有着较大的温差，如果能够较好地利用，这可以为航天器提供客观的能量供应。
　　金星表面和高层大气风速有较大差异，或许我们可以利用风速差为飞行器提供一部分前进动能。
　　金星大气设想图
　　项目面对的挑战：
　　首先，项目所需的热机具有一定的设计难度，不能照搬现有的斯特林发动机。而且项目可能需要运用一些高性能的储热材料。需要它质量轻、强度高、耐高压高温、热容大。
　　因为要在地表和高空之间循环飞行，所以比较容易受到大气运动影响。而且金星大气环境较为恶劣，这对飞行器的气动和飞控设计是个挑战。
　　未来展望：
　　目前已经有多个国家提出了自己的金星探测计划。未来我们可以把目光放到金星大气探测器上来，也为将来气态行星的探索积累经验。
　　总之，这项研究是非常令人期待的。
　　072160222陈天亨