史维校长,火星直升机,达·芬奇 三者间是什么关系?

21-03-2022

本文由机械及航空航天工程系荣休教授陈介中撰写

最近参加了一次喷气推进实验室 Jet Propulsion Laboratory JPL 的活动,并听取了科学家和工程师们的演讲,描述他们如何设计了小巧玲珑又可爱的「创新号」(Ingenuity)机器人直升机。它是由「毅力号」漫游者太空船(Perseverance rover spacecraft,带到了火星表面。之后,创新号成功的完成了旋转翼飞机,在外星球上首次的可控动力飞行。 造访JPL,使我在日益令人沮丧的疫情中,有了一次愉快的回忆。

我在加州理工学院毕业后,进入JPL工作了25年,1991 年加入香港科技大学任教,16 年后,于2008 年退休。这是我唯一曾经永久工作过的两个地方,在西方世界的大学教员中,这是个相当单纯的事业进程。JPL的讲者指出,由于火星的大气密度较低,直升机旋翼型的设计是建立在低雷诺数(注解一)空气动力学。造成的结果是直升机旋翼的翼型非常不寻常。它的主要设计参考资料之一是剑桥出版社2007年出版的《低雷诺数的空气动力学》,作者是一位华裔教授,他有一个更不寻常的英文姓名—— SHYY。他就是香港科技大学校长史维教授。按照传统,我向当时的老校长吴家玮做了报告。不久后,我收到了史维校长的电邮,要求提供「创新号」机器人直升机设计的相关资料。

在发送描述设计过程报告的同时,我还提到了在几个世纪前发生过的另一项有趣并且相关的研究。 列奥纳多··芬奇(Leonardo da Vinci1452-1519)是意大利文艺复兴时代早期的博学者,他被公认为是有史以来最有才华,最多元化,在许多领域都有非凡成就的人才之一。 他花了大约四十年,也就是他的整个成年人生,致力于解决飞行问题。 他的天才体现在他设计的「四个翅膀鸟类模仿飞行器」(ornithopter),如图像所示,达·芬奇的飞行器与火星直升机「创新号」 看起来非常相似。

图左是火星直升机,图右是达·芬奇的飞行器
图左是火星直升机,图右是达·芬奇的飞行器

当年在我的工作时期,喷气推进实验室正进行着一系列的行星探测任务。火星是离地球最近的行星,并且是具有固体表面的陆地行星。行星探测开始是以水手号宇宙飞船Mariner spacecraft)进行目标的飞越探测。随后的海盗计划(Viking program)是在19902000年代提供资讯最多的火星探测任务,海盗号的着陆器,确切的证实了火星上存在有密度非常低的大气层,当时在 JPL有一群年轻的科学家和工程师开始了梦幻式的遐想讨论;

他们驾驶着JPL001火星航班,在经过漫长的星际航程后,到达了火星,调整轨道启动降落程式:

JPL001呼叫火星基地,目视降落场,要求进场着陆。

「火星基地,JPL001,信号清晰,目视着陆进场。 能见度 18,温度 -20,风向190,风速每秒8米,高度计 10.05 允许着陆。

几乎是在半个世纪后,梦想被可爱的小机器人直升机「创新号」实现了。本短文题目的答案,当然就是没有物理单位的数学常数 ——「雷诺数」。

注解:
在流体力学中,雷诺数(Reynolds number)是流体的惯性力与黏性力的比值,雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流 (laminar flow);反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,为湍流(turbulence flow)。

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