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  • 探测火星为何要用直升机?

        李会超

        新闻背景

        由美国国家航空航天局设计制造的一艘名叫“火星2020”的火星车,将在2020年7月启程奔赴火星,对火星上的环境与地质过程进行更深入的探测,探寻火星上现在或曾经是否有可能存在生命。

        “火星2020”还有另一项任务:它将携带一架被称为“火星侦查直升机”的航空器,试验这种航空器在火星上飞行的实际效果,为今后使用航空器在其他行星开展探测进行先锋式的技术验证。上个月,这架火星直升机刚刚在NASA喷气动力实验室中完成了在地球上的模拟飞行测试,为前往火星的实战做好了准备。

        航空器探测优势独特

        目前,对行星的探测手段主要有环绕探测、原位探测和巡视探测三种。环绕探测,主要通过运行在环绕火星、金星等其他行星的轨道上的航天器,利用遥感探测的手段来完成。遥感探测,通俗讲就是利用各种科学探测仪器在太空中给行星拍“照片”,但这些“照片”不只包含了行星表面的图像信息,一般还有光谱、高程等更为丰富的信息,能够反映行星表面的大气与矿物成分和地形起伏等特征。而原位探测则是利用在行星表面着陆的探测器,对探测器所在位置的岩石、大气或生物信息开展探测。巡视探测同样是在行星表面进行,但由于是由火星车这类可以移动的巡视器进行,因此探测范围能比原位探测有所扩展。

        对于火星探测来说,环绕探测可以使我们获得有关火星较为全面的信息,而原位和巡视探测则能够使我们获得更为精细的信息,在这几种探测手段的相互配合下,科学家们已经对火星有了一定的了解。然而,由于实施环绕探测的探测器距火星表面的距离一般都在几百公里以上,不容易将火星表面的细节观察得特别清晰。同时,卫星对某一地点进行一次观测后,受运行轨道的限制,必须间隔很长时间后才会对该地点进行再次观测,难以对一些变化较快的现象进行连续观测。而原位探测和巡视探测的精细程度虽然较高,但原位探测仅能在着陆点展开,火星车等巡视器的行走范围也相当有限。以前不久刚刚结束工作的“机遇号”火星车为例,它在14年的工作过程中总共仅移动了45公里,相对于火星两万多公里的周长来说显得微不足道。

        为了在连续探测时间、探测范围和探测精度这三个因素间达到更好的平衡,科学家们萌生了使用固定翼飞机或直升飞机这些在大气层中飞行的航空器,对火星开展探测的想法。由于航空器的飞行高度较低,因此只需搭载重量不大的探测载荷就能实现精度较高的遥感探测。同时,航空器在空中的移动速度比巡视器快得多,能在短时间内完成对一片区域的全面探测,并能在短时间内重访有重要现象发生的区域,对其进行连续监测。航空器的探测受地形影响较少,能够到达巡视器所无法到达的区域,并在那里着陆进行原位探测,因此探测任务的规划可以相当灵活。最后,航空器还可以充当“侦察兵”的角色,对巡视器前方的地形地貌和可能发生的现象进行先行探测,为科学家们决定巡视器下一步朝哪个方向移动提供关键数据。

        “火星侦查直升机”将初试牛刀

        “火星侦查直升机”是使用航空器进行行星探测的第一次尝试,由美国国家航空航天局下属的喷气动力实验室研发设计。这是一台重量仅有1.8千克的小型飞行器,顶部旋翼的直径仅有1.2米,和我们一般概念中在地球上飞行的直升机相比,它的个头要小很多。它采用共轴式双旋翼设计,两个旋翼旋转产生的力矩可以相互抵消,因此无需像地球上的一些直升机一样安装尾桨。由于火星的内禀磁场较弱,不存在规则的南北向磁场,因此火星直升机在飞行过程中无法像地球上一样,使用磁场为自己指示方向。同时,火星附近现在还没有部署类似于GPS的卫星导航网络。为了在这种情况下飞行器仍能够自主导航,喷气动力实验室的科学家们为它设计了利用太阳所在位置和陀螺仪信号进行导航的方案。此外,火星直升机上安装的一台高分辨率相机,也能通过拍摄火星表面影像的方式帮助它选定合适的飞行路线和着陆地点。

        直升机能够升空飞行,靠的是旋翼在旋转过程中与空气相互作用产生的升力。火星大气的密度仅相当于地球大气的1%,且主要成分是二氧化碳。火星表面的大气密度约等于地球上三万米高空的大气密度。因此,在火星飞行的航空器与火星大气相互作用的情况,与地球上的飞行器将有很大不同。为了更真实地模拟火星环境,科学家们为火星直升机研发了一个特别的模拟装置。在进行测试时,这个装置首先抽走内部的空气,使其处于接近真空的状态。之后,再注入与火星大气成分相同的气体,使装置内部的气体密度和气压与火星表面基本相当。同时,火星上的重力加速度仅为3.7m/s2,远低于地球的9.8m/s2,因此同样质量的物体在火星上受到的重力将比地球上小很多。为了在地球上模拟火星上所受到的重力,这个装置还用一个连接到直升机顶部的机动吊绳提供拉力,抵消一部分重力作用。

        按照计划,火星直升机的飞行将在“火星2020”探测器在火星着陆之后的第60至第90火星日(1火星日的平均长度约为24小时37分钟)展开。在第一次的飞行中,它将仅仅爬升到距离地面3米的位置,悬停时间也不过30秒,与莱特兄弟进行的人类在地球上的首次航空飞行颇有几分相似。不过,在之后的30天中,火星直升机还将进行4次飞行,每次飞行的距离和持续时间会不断增加,最终实现数百米距离的飞行和持续90秒的悬停。为了保证安全,飞行测试将在距离“火星2020”火星车100米的范围之外进行,以防因意外坠落砸伤火星车。而为了保持与火星车之间的通信联络,火星直升机也不会到距离火星车1公里外的范围活动。

        多种多样的行星和卫星探测航空器

        如果火星直升机的飞行测试一切正常,将会对行星探测中航空器的使用产生巨大的推动。目前,除了已经完成设计制造的火星直升机外,科学家们还提出了不少使用航空器进行行星和卫星探测的方案。

        美国国家航空航天局所属的兰利研究中心提出的“区域环境普查航空器”,是一种对火星的大气和磁场开展探测的航空器。和火星直升机所不同的是,这种航空器是一种固定翼的飞行器,外观与地球上的固定翼飞机有些相似。固定翼飞行器需要借助发动机输出的推力增加速度,使飞机机翼上产生足够的升力。这种航空器没有采用地球上飞机常用的喷气式或螺旋桨式发动机,而是计划采用火箭发动机,每次飞行可持续一个小时左右。从地球发射时,它被折叠在一个有热防护罩的外壳中,在到达火星并进入火星大气层后,它将会在适当的高度将自己从防护罩中展开,进入飞行状态。不过,这个方案目前还只是一种技术储备方案。

        美国约翰·霍普金斯应用物理实验室提出的“蜻蜓号”方案,则把探测目标锁定在了土星的卫星“泰坦”上。已有的探测数据表明,“泰坦”含有多种成分复杂的含碳化合物。“泰坦”表面还富含水冰,内部可能有液态水构成的海洋,是孕育生命诞生的理想场所。对“泰坦”进行各类生命迹象的探测,很可能有令人惊奇的发现。“蜻蜓号”和火星直升机一样,也是可以垂直起飞、降落的航空探测器,其产生升力的装置为四组小型共轴双旋翼,外观和我们常见的航拍无人机比较接近。由于能够垂直起降、飞行,这种探测器可以在不同地貌特征的探测点,进行碳水化合物成分的探测工作,帮助科学家们发现了解这颗卫星上可能存在的生命。这种探测器的飞行高度可达4千米,飞行速度可达36千米/小时。目前,“蜻蜓号”处于方案预先研究的阶段,美国国家航空航天局将在今年7月决定是否将其“转正”,成为进入实施阶段的科学探测任务。

        作为地球的另一个近邻,金星也是行星探测的热点目标。美国宇航工业巨头诺斯罗普·格鲁曼公司提出的“金星大气机动平台”方案,为探测金星上的生命迹象提供了新的方式。这是一种充气式的三角翼飞行器,在进行探测工作时,能以110千米/小时的速度飞行。此时,飞行器90%的升力来自于翼面的空气动力学效应,10%则来自于充气后产生的浮力。而在夜间,它一般会暂停正常工作,关闭发动机,使自身徐徐下降到距离金星表面50千米的地方。在那里,它所受到的浮力足以支撑它漂浮在天空中,无需翼面提供额外的升力。目前,格鲁曼公司正在与俄罗斯航天部门和美国国家航空航天局同时保持接触,希望能通过这两个国家的航天项目,将金星大气机动平台的方案变成现实。

  • 用蓖麻油也能做“蜘蛛侠”战衣

        徐海涛  钟合

        电影《蜘蛛侠》的故事说,男主角因为被蜘蛛咬伤,因此获得了和蜘蛛一样的超能力。而蜘蛛的超能力是它吐出的蜘蛛丝,这是一种拉伸强度惊人的天然材料。有研究表明,蜘蛛丝的力学拉伸强度最强可达到800兆帕,这相当于用一根铅笔粗细的十字园蜘蛛丝,就可以拉住一架自重180吨、正以每秒80米速度降落的波音747飞机。

        在学术界,类似蜘蛛丝这样的神器有个专业术语——超强弹性体。所谓超强弹性体,是一种抗拉强度接近于金属,同时具有较大延展性和回弹性的特殊材料,可用于防弹衣、宇航服等特种纺织材料。目前,国内外市场上超强弹性体的主要原料,是用石油提炼的石油基高分子。

        那么,除了石油基高分子,还有没有其他原料可以制作超强弹性体?安徽农业大学教授汪钟凯团队近期以蓖麻油为原材料,研发出一种抗拉强度超过200兆帕的超强荧光弹性材料,实现了农林生物质的高价值转化与利用。国际权威学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果。

        汪钟凯说,蜘蛛丝内部有刚性的纳米晶体和弹性的蛋白,纳米晶体沿轴向均匀分布。这种刚性和弹性的完美结合,赋予了蜘蛛丝超强超弹性能。受蜘蛛丝超强超弹性能的启发,汪钟凯团队在植物油脂高分子合成研究中发现了一条新路径,能够将蓖麻油转化形成模仿蛋白的聚合物分子,他们精确调节获得纳米晶体结构,再通过机械加工实现了类似于蜘蛛丝的特殊结构。经过测试,这种新材料的抗拉强度超过200兆帕,相比之前强度普遍在几十兆帕的人工弹性材料,取得了性能上的重大突破。

        据介绍,以往的研究显示,植物油、松香、松脂、木质素、纤维素等生物质资源可以被转化为高分子材料,但在成本及性能方面无法与石油基高分子材料媲美。本次研究在生物质材料的性能方面取得突破,有利于人们摆脱对石化资源的依赖。

        汪钟凯说:“在我们目前的实验条件下,每100公斤蓖麻油可制备26公斤弹性体材料。该项成果已经获得国家发明专利授权。当然,我们目前的成果还处在实验室阶段,距离产业化还有相当距离。今后我们计划开发第二代和第三代产品,最终让它像真正的蜘蛛丝一样强大,成为制备超强弹性体的廉价原料。”

  • “简单”难题获解

        悠悠

        据国外媒体报道,英国一位数学家最新破解了困扰人们64年的一道数学难题:33如何用3个立方数字之和表达。

        虽然这个问题看似简单,但它是一个长期存在的数字理论难题,它至少可追溯至1955年。早在公元3世纪,希腊思想家可能就认真思考过这个问题,这就是丢番图方程:x³+y³+z³=k。丢番图方程是以希腊古代数学家丢番图(生卒时间约公元246-330年)命名的。

        可以挑选从1至无限大的整数,作为k数值。现在的挑战是找到x、y、z的数值,当它们的立方和等于k,x、y、z的数值可以是负数,也可以是正数。例如:如果你选择k数值为8,该方程的一个解是:2³+1³+(-1)³=8。

        数学家们发现,k数值除以9余数为4或者5的数都不会有丢番图方程解,这排除了100之内的22个数,但其它78个数应当有相应的方程解,却有两个数一直困扰着科学家:33和42。

        近期,布里斯托大学数学教授安德鲁·布克将其中一个数字从谜团名单中删除,他创建了一个计算机算法,在计算机算法运行几周后,一个答案出现了:(8,866,128,975,287,528)³+(-8,778,405,442,862,239)³+(-2,736,111,468,807,040)³=33。

        布克在YouTube视频网站上称,当他发现这个方程解时,高兴得跳了起来!而他的妻子却对他的表现感到莫名其妙。这样,困扰科学家几十年的数学难题就只剩下42了。

  • 未来火星基地方案

        叶倾城

        据国外媒体报道,美国航天局日前宣称,在一场正在进行的设计竞赛中,3项入围方案脱颖而出,工程师设计出火星表面3D打印制造的可持续性建筑。

        3项入围方案将分享10万美元的奖金,其中来自纽约的SEArch+/Apis Cor团队获得第一名,来自阿肯色州的Zopherus团队获得第二名,来自康涅狄格州的“火星孵化器”团队获得第三名。

        它们从11个候选设计方案中胜出,评分依据是:“建筑布局、编程设计、室内空间有效利用率、3D打印可扩展性和栖息地可施工性。”

        美国航天局称,最终资金池金额将达到80万美元,最终决赛阶段定于今年5月初举行。

        剩下的研究团队将成为2015年开始的美国宇航局“百年挑战比赛”的最终参赛者,“百年挑战比赛”是一个吸引公众参与的项目,旨在提出创新的解决方案。近年来,探索火星的研究主题获得越来越多的关注,不仅吸引了美国宇航局,还吸引了埃隆·马斯克旗下SpaceX这样的商业航空公司。

        本版部分图片来源:视觉中国、美国航天局网站