热交换驱动金星探测飞机：在地狱寻找生命

金星，是太阳系的一颗类地行星，同时也是距离地球最近的一颗行星。在中国古代金星被叫做“太白”,“长庚”,“启明”，在西方被叫做“维纳斯（Venus）”，古希腊人称金星为“阿佛洛狄忒”，是代表爱与美的女神。金星有一段时间被叫做地球的孪生兄弟，最初科学家们还认为金星上存在生命。那为什么人类除了探索月球以外，登陆火星的探测器已经琳琅满目，登陆金星的探测器却鲜有耳闻呢？

阿佛洛狄忒

其实前苏联早在1961年就派出过金星探测器，但因失去控制而失败，之后苏联又陆续向金星发射了探测器，在1970年发射的“金星7号”实现了在金星的软着陆并向地球传回了金星表面的情况。一系列对金星的探索彻底推翻了之前人们对这颗爱神星球的想象。金星有着最浓厚的大气层，其中96%都是二氧化碳，没有液态水和氧气，金星上时常降落巨大的具有腐蚀性的酸雨。表面温度高达500 ，大气压约为地球的90倍。如果说地狱真的存在，那可能就在金星上了。

在苏联对金星23年的狂热探索之后金星一度被科学家“抛弃”，直到2020年9月14日。这一天，英国皇家科学院的科学家在《自然-天文学》公布了一项研究成果，研究团队在两次天文观测中都从金星大气中发现了生物标记-硫化氢。专家认为金星上存在高于自然浓度的磷化氢，推测金星上可能存在生命迹象，或不为人知的化学反应。自此金星又重新被重视起来。

前苏联金星探测器拍摄的金星地表呈一种”死寂“的黄色

为了探索金星，科学家们提出了一种热交换驱动金星探测飞机，这种飞机利用了金星大气中地表和高空之间温差大的特性，通过一个系统实现金星飞机的循环飞行。

“我们研究一种固定翼飞机平台概念，能够以一种循环的方式在接近金星表面的多个地点上空飞行。这项调查的核心是开发一个系统，该系统能够利用金星大气层的热量，为热机提供能量，为飞机提供动力。在这一任务概念中，飞机从约40公里的高度迅速下降到接近地面，并在接近地面的受控飞行中巡航，同时大气中的热量被飞机内部的散热材料吸收。当散热片与周围空气达到热平衡后，飞机利用储存的能量迅速爬升到更高的高度，在那里通过机载热机(如斯特林发动机)与外部较冷的空气交换散热片中的能量。由热机转换的能量储存在飞机的电池中，为飞机的推进、科学仪器的运行和通信提供动力。当飞机与外界空气达到热平衡后，就准备再次俯冲到低空，然后重复这个循环多次。

热交换驱动金星探测飞机概念图

利用了金星大气中地表和高空之间的温差，可以将更多的能量投入到精心挑选的散热材料中，而不是将散热材料从低海拔提升到高海拔所需的能量上。例如， 金星大气中0到40公里之间的温差可以将金属锂的热能提高到40公里高度所需的势能的3.25倍。如果能够设计出效率大于31%的飞机系统，那么这种高度/温度循环将形成闭环。”

斯特林发动机原理图

介于金星恐怖恶劣的环境，该概念飞机的实现需要考虑的因素还有很多很多。人类对金星的探索，对地外文明的探索还有很长的路要走。

杨宇航（指导教师闻新）