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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[What if]第30期——星际塞斯纳   

2013-06-09 10:00:55|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

原作:http://what-if.xkcd.com/30/

译者:猪的米

What if 系列:http://songshuhui.net/archives/tag/what-if

提问:如果你试图在太阳系其他星球上驾驶普通的地球上的飞机会怎样?——Glen Chiacchieri

回答

下面先请出我们的飞机:

30155132_80377

塞斯纳172天鹰估计是全世界最常见的飞机了。

然后是我们的飞行员:

30154714_45690

 

下面这张图则会告诉你当飞机在太阳系最大的32颗星球表面上空释放时会发生什么:

30161849_54194

 

在大多数星球上是没有大气的,所以飞机是直挺挺地摔向地面。(如果坠落高度是一千米的话,在一些星球上坠落的速度很慢,飞行员可能会活下来——但机载的生命维持系统基本上是撑不了这么久的。)

太阳系还是有很多星球有足够浓密的大气的:地球——显然的——还有火星、金星、四大气态巨行星、土星的卫星泰坦,还有太阳。现在让我们仔细分析下在这些星球上分别会发生什么。

太阳:嗯,跟你想象的差不多。如果飞机释放的距离近到能够感受到太阳大气的话,它会在一秒之内灰飞烟灭。

火星:要想知道在火星上驾驶飞机是什么样的,那么就试试火星模拟飞行吧。(注:谢谢X-Plane社区的Tom J和其他人帮助进行不同大气条件下的空气动力学计算。)

X-Plane告诉我们在火星上驾驶飞机可不容易,但也不是不可能。NASA知道这一点,所以他们考虑用飞机来巡视火星。但问题在于,在如此稀薄的大气环境下要想获得足够的升力,就需要很高的速度。你需要达到近1马赫的速度才能起飞,而一旦你动了起来,巨大的惯性使你难以转弯——如果你尝试转弯,那么飞机会翻滚,同时继续保持原有航向。所以X-Plane的作者把驾驶火星飞机比作驾驶超音速游轮。

我们的塞斯纳172可完不成这种任务。如果它从一千米的高度释放,它将无法积累足够的速度以摆脱俯冲状态,并将以60米/秒(216千米/时)的速度坠毁在火星表面。不过如果从四到五千米的高度释放,飞机能够达到足够的速度脱离俯冲而进入滑翔状态——此时空速超过音速的一半。在这种情况下想要活着回到地面是不可能的。

金星:不幸的是,X-Plane无法模拟金星近表面那地狱式的环境。但是简单的物理计算能告诉我们一些东西。结局是这样的:你的飞机能飞得很不错,只不过它一直处于着火状态,然后它就飞不动了,再然后它就不是飞机了。

金星上的大气密度是地球上的60多倍,在这种条件下一架塞斯纳足以以滑行速度起飞。只不过支撑着飞机的空气温度足够把铅熔化,飞机上的油漆在几秒内就会熔化,飞机的部件也会迅速失效,再之后在热应力的作用下飞机会解体,然后在空中慢慢飘落。

一个更好的选择是在云层上方飞行。虽然金星的表面糟透了,但是它的上层大气层与地球惊人的相似。在距离地面55千米的地方,一个人戴着氧气面罩,身着防护性服装就能活下来;气温跟室温差不多,气压也跟地球上的山脉上差不多。你需要穿着防护服是因为大气里有硫酸。(这东西并不走俏,对吧?)

沾上硫酸可一点都不好玩,但事实上云层上方的区域对于飞机来说是一个绝佳的环境,只要它表面没有暴露的金属,否则就会被硫酸腐蚀掉。哦对了,我之前忘了说了,你还可以在恒定的5级飓风中飞行。

总之,金星不是个好地方。

木星:我们的塞斯纳没法在木星上飞行,因为那里的重力太强了,维持飞行所需的动力是在地球上的四倍。如果从还说得过去的海平面气压开始,我们将将在颠簸的大风中开始绝望的向深处滑翔,速度可达275米/秒(时速990千米/是),我们将穿过一层又一层的氨冰和水冰,最后的结局仍将是坠毁。不过木星上没有坠毁表面,因为随着你越飞越深,木星将完成从气体到固体的丝般顺滑转变。

土星:这里的场景比木星要好一点儿。这里重力更弱——事实上和地球上差不多——大气层更浓密(但仍然很稀薄),我们可以苟延馋喘更长的时间,不过最终不是被又冷又强的大风击败,就是在不断下坠的过程中落得和木星上一样的下场。

天王星:天王星是一个诡异的匀质蓝色星球。这里风速很快,而且冷得刺骨,但在几大气体巨行星中这里的环境可以说是最好的了,你估计可以飞上那么一会儿。但这里真的真的是什么都没有,你来这里干嘛?

海王星:如果你准备去气体巨行星去逛一圈,去海王星(座右铭:“去更蓝的地方”)要比去天王星要好。虽然你最后不是被冻死就是在乱流里身体散架,但好歹死前这里还有几片云可以瞻仰一下。。。

泰坦:最好的总要留到最后。就飞行而言,在泰坦上飞行要比在地球上好一点。这里的大气浓密,重力又小,表面气压只比地球多50%,空气密度是地球的4倍。这里的重力比月球还弱,这意味着在这里很容易飞起来,你甚至可以通过 踩脚踏板的方式让塞斯纳飞起来。

说实话,人在泰坦上可以靠肌肉的力量就飞起来。一个人考一个滑翔翼就可以舒舒服服地起飞,然后靠超大的游泳用的鳍状靴子到处飞行——你甚至扑腾几下人工翅膀也能飞起来。动力要求也是极低,走路的能量就够。

但弊端(总有一个弊端的哈哈哈)在于寒冷。泰坦上的温度只有72K,和液氮的温度差不多。从轻型飞机上加热装置的一些参数来看,我估计在泰坦上塞斯纳的驾驶舱温度会以每分钟2摄氏度的速率下降。

飞机上的电池能够用来维持一点点时间的温暖,但最终飞机还是会因为消耗完热源而坠毁。还记得惠更斯号探测器嘛?那玩意儿在下降的过程中电池已经用得差不多了(它在下落的过程中拍了许多漂亮的照片),在降落到泰坦表面仅仅26秒之后就屈服于低温的侵袭。不过在降落之后的那么几十秒里它还是成功发回了照片——只来得及发回一张——这是除了火星之外我们所拥有的唯一一张其他天体表面的照片。

如果我们穿上人工翅膀打算飞行,那我们将是泰坦版本的伊卡洛斯——我们的翅膀将会结冰、散架,然后带着我们去见上帝。

cessna_icarus

但我从不把伊卡洛斯的故事看作是人类极限的一个教训,我认为这是蜡质翅膀的一个极限。泰坦上的低温只是个工程问题而已,只要经过正确改装,配上正确的热源,一架塞斯纳172就可以在泰坦上飞行——当然我们也行。

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