科技日報(bào)記者 張夢然
《自然》13日發(fā)表的一項(xiàng)研究描述了一種新型“光泳”飛行器。該飛行器本質(zhì)是一類小型太陽能漂浮裝置，可攜帶儀器漂浮在大氣層高處。這種裝置無需傳統(tǒng)燃料即可維持飛行高度，為未來氣候監(jiān)測和火星探索開辟了新途徑。
“光泳”是一種氣體（或液體）中懸浮的顆粒被光加熱后產(chǎn)生的運(yùn)動力。人們已經(jīng)知道這種原理超過百年，但直到近期才開始探索它的實(shí)際用途。在地球大氣層上層，空氣十分稀薄，“光泳”的力強(qiáng)到足以讓小型物體漂浮。但迄今為止，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都集中在非常小而輕的材料上，將之?dāng)U展到更大、更實(shí)用的大型設(shè)備一直是個(gè)挑戰(zhàn)。
美國哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)此次設(shè)計(jì)建造了一種新型飛行結(jié)構(gòu)，由兩片薄而多孔的膜通過微小的垂直支撐連接而成。結(jié)合計(jì)算機(jī)建模和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)優(yōu)化“光泳力”后，他們制作了一個(gè)寬1厘米的圓盤，能夠在與高空陽光強(qiáng)度相當(dāng)?shù)墓庹障聭腋 ?/P>
團(tuán)隊(duì)還提出了一種3厘米寬的版本，計(jì)算機(jī)模型顯示它白天在75公里高空能夠攜帶10毫克的載重，這足以負(fù)載包含射頻天線、太陽能電池和集成電路的小型通信系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)模擬了12433個(gè)此類裝置的懸浮飛行，其向上推力由熱對流氣流通過裝置膜上的434個(gè)微尺度孔洞產(chǎn)生。
這項(xiàng)新成果凸顯了“光泳”飛行作為監(jiān)測地球大氣甚至探索其他行星的一種工具的潛力。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，現(xiàn)在的火星運(yùn)輸成本每公斤超過10萬美元，而相比專門的人造衛(wèi)星，光泳裝置在尺寸、重量和功耗方面均有顯著優(yōu)勢，未來可用于執(zhí)行傳感和通信任務(wù)。將來的設(shè)計(jì)可以包含導(dǎo)航系統(tǒng)、增加載荷能力和運(yùn)行時(shí)長，以及執(zhí)行更大規(guī)模的任務(wù)。
總編輯圈點(diǎn)
這是被動式空中懸浮技術(shù)從理論邁向?qū)嵱玫闹匾徊�。團(tuán)隊(duì)突破了“光泳”難以擴(kuò)展至實(shí)用裝置的瓶頸，使小型載荷在臨近空間長期運(yùn)行成為可能。這為大氣監(jiān)測、環(huán)境傳感乃至高空通信提供了低成本、低功耗的部署方案。尤其值得關(guān)注的是其在火星探索中的前景：在稀薄大氣與充足光照的條件下，這類輕量化飛行器可規(guī)避傳統(tǒng)飛行器對復(fù)雜推進(jìn)系統(tǒng)的依賴，大幅降低發(fā)射成本與任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。未來若能集成自主導(dǎo)航、能源管理與數(shù)據(jù)回傳系統(tǒng)，這類“智能微飛行器”或可在其他行星形成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)廣域、持續(xù)的科學(xué)觀測。這不僅是微尺度物理與系統(tǒng)工程的完美結(jié)合，也向人們預(yù)示著，一場深遠(yuǎn)的空中平臺革命正在來臨。 |
