最全33大系列1000+節【理科生必刷】Crash Course 10分鐘速成課 33大系列之工程學外教講解課 快速對工程相關學科有個深度瞭解 P35 - 工程學-34-奔向月球&火星：航空航天工程

如果你想要飛向天空或飛往火星 你將需要一臺機器來載你到那裡 人類夢想飛翔已有數千年 但要實現這一點 需要特殊的工具、技術和材料 這就是航太工程 我們自從機器讓我們擁有飛行的權力以來 已經完成了許多驚人的事情 動員們花的時間比乘船橫跨大西洋還要短 就抵達了月球 我從洛杉磯直飛蒙大拿的航班所花的時間 比開車穿越洛杉磯縣還要短 我們之所以能夠做到這些 是因為航空工程這門專門從事設計和建造飛行機器的領域 它分為兩個主要部分——航空工程和航天工程 航空工程專注於製造飛機 如滑翔機、噴氣式飛機和直升機 當航太工程建造航天器 如探測器、衛星和宇宙飛船時 兩門學科在20世紀取得了巨大進步 部分原因在於美國與蘇聯之間的冷戰對抗 那種競爭促使我們踏上登月的競賽 並促進了噴氣推進、雷達、材料科學等許多領域的進步 如今 國家之間仍然競爭 但私人公司也同樣競爭 目標不僅是重返月球 更是抵達火星 這不僅是個好的標題——如果我們從太空競賽中學到了什麼 那就是競爭推動創新 火箭公司SpaceX計畫於2024年就將人類送上火星 要做到這一點 你需要大量的創新 但無論你是要將人們送往太空 還是僅僅在大氣層中飛行 你都必須了解一些基本的飛行原理 飛行時最重要的因素是升力 而最基本的升力形式就是浮力 浮力之所以存在 是因為大氣具有物理學家所稱的壓力梯度 也就是說 每往上一點點 空氣壓力就會稍微減小一些 這些壓力差產生了一個微小的向上力量 如果物體足夠輕 就能將其推升上去——這就是升力 熱氣球是最早期的飛行方式 它運用這個原理 那個巨大的熱氣球因為比周圍較冷的空氣輕 所以被推了上去 並帶著乘客一起飛行 如果希望氣球保持靜止 或者工程師所稱的平衡狀態 那麼所有作用力的總和應該等於零 這意味著重力拉動氣球和內部氣體向下的重量必須與壓力梯度向上推動的力完全平衡 但氣球在大多數應用中都相當不實用 他們對周圍環境依賴性極高 例如氣候條件的變化可能使精確操控甚至著陸變得困難 要更有效地飛行 你需要一個推進系統 或者說是能推動你前進的東西 一個推進系統通常由動力來源和推進器組成 而推進器是能夠將動力轉換為前進動力的裝置 作為航空工程師 你將使用三種主要的推進系統：一種是使用燃料的熱 機一種是使用電池的電動機 另一種是使用太陽能電池的電動機 這些系統的目標是提供足夠的推力以克服飛機的阻力 對於經常進行大量穩定飛行的商用飛機 您應當保持引擎效率高且燃油消耗低 以免造成財務上的損失 對於像戰鬥機這樣以速度為關鍵的飛機 你需要更多的推力才能快速加速 這意味著引擎效率可能就會被犧牲 大多數現代飛機都依賴噴氣發動機 它有五個核心部件——進氣口、壓氣機、燃燒室、渦輪和噴嘴 進氣口將空氣引入引擎 然後將空氣送至壓縮機 壓縮機隨後在空氣進入燃燒室前提高其壓力 在這個階段 高壓空氣會與燃料混合並燃燒 這產生高溫排氣 用來驅動渦輪機 當空氣通過噴嘴時產生推力 最後 噴嘴會成為你的推進器 推動飛機前進 現在 這裡有一些重要的事項需要考慮 你必須確保擁有足夠堅固的進氣口 能夠有效運作 也就是說 它能在飛機整個飛行過程中提供足夠的空氣給壓縮機 當飛行速度較低時 壓縮機可以將空氣吸入發動機內部 但是在高速時 良好的進氣設計可以讓您在不干擾壓縮機氣流的情況下獲得更好的機動性 你還需要設計一個使用能承受高溫材料的引擎 例如 你的渦輪機葉片可能會經歷數百攝氏度的高溫 你需要使用能承受高溫的特殊金屬來製造它們 例如鎳基超合金 或者增加一個主動冷卻葉片的系統 如果你決定為它們降溫 你需要一個中空的設計 以便能夠將冷空氣泵入葉片並通過葉片表面的小孔排出 以保持整體低溫 將所有部件組裝起來 確保你有一個良好的噴嘴作為推進器 這樣你就會有一個優質的推進系統 現在 這在地球上已經能幫你走得很遠了 但想想看 如果要去太空旅行 你將面臨一整套全新的挑戰 而且最大的那個其實就是你你可能會認為技術限制是阻止我們前往星辰的關鍵 這當然是其中的一部分 但你最大的障礙將來自人體適應深空挑戰的困難 我們的身體無法立刻切換並適應 因此你需要建造能模擬類似地球環境的船隻 一些方面 比如創造可呼吸的大氣 相對來說比較容易 其他一些事情 例如適應失重狀態 則要困難得多 我們目前還沒有人工重力 重力影響著從你的骨骼和肌肉的發展 到心臟將血液泵送至全身的難易程度 沒有它 太空中的太空人僅幾天就會出現肌肉變弱或視力模糊等問題 一種理論上的解決方法是利用明顯的離心力 製造一艘會旋轉的太空船 這可以有效地模擬重力 類似於水在快速旋轉的桶中不會掉出來的方式 太空也充滿了輻射 這可能會增加船員罹患癌症的風險 甚至損害船隻 長期接觸輻射會嚴重損害車載電子設備 導致短路並破壞記憶體 因此 如果你不希望你的設計在太空中被燒毀 你就需要讓它能夠抵禦那種輻射 使用絕緣材料來製造電腦晶片 而不是通常的硅材料 會有所幫助 因此 設計電子設備時會使用鉛等材料製造外部屏蔽 這會使系統整體尺寸變大 因此你也必須考慮進去 而且這只是空間本身而已 一旦你開始談論如何處理其他行星的大氣層 還有更多需要考慮的因素 看看火星 你會發現它的大氣密度只有地球的1% 以及氣溫從冬季的零下125攝氏度到夏季的大約20攝氏度 你設計中需要能處理的所有事物 如果我們有希望未來能前往那裡旅行甚至居住的話 但在你去嘗試殖民另一個星球之前 最好先從一個更簡單的任務開始 像設計一顆不需要搭載太空人的衛星一樣 衛星有三個主要元件——酬載、載具和發射器 有效載荷是執行衛星主要功能的所有設備 例如接收電信或處理並傳送資料 巴士指的是提供電力、保護、穩定性和軌道控制等功 能的系統和結構 這些功能使有效載荷能夠執行其預期任務 發射器 或稱發射載具介面組合 是連接 衛星與火箭的部件 用以將衛星送入軌道 這些部件都必須在你的衛星設計中協調一致 你最好確保所有的數學計算都正確無誤 因為一個簡單的計算錯誤可能造成毀滅性的後果 無論是人類的生命還是所有設備的費用 大約在千禧年左右 美國國家航空暨太空總署因為單位換算錯誤 損失了價值1億2500萬美元的火星軌道探測器 NASA 的團隊使用公制單位 而製造商則使用英制單位 最終導致軌道器的計算出現偏差 使其在火星大氣中燒毀 還有一種特殊的航天器你可能需要設計——太空服 你知道 太空服不只是你在太空穿的衣服 它基本上是一艘屬於自己的人類大小的船隻 它能保護太空人不會過熱或過冷 提供他們呼吸所需的氧氣 甚至還能儲存飲用水 而且他們有內襯金屬的面罩 可以保護他們的眼睛不受太空強烈陽光的照射 而這套服裝堅固的外層能提供對太空灰塵的防護 這在移動速度超過子彈時實際上可能非常危險 你不能讓這套服裝過於臃腫 因為太空人仍然需要能夠有效地活動 節能也同樣重要 因為那裡的食物選擇稍微……有限 這就是為何工程師一直努力研發更優越的太空服設計 例如美國國家航空暨太空總署的Z2先進原型 Z2使用先進複合材料 打造出輕巧且極具耐用性的宇航服 能夠在如火星這樣的嚴酷環境中執行長時間任務 無論是SpaceX、NASA還是其他人 任何計畫前往火星的人都需要這樣的太空服和一艘優秀的太空船 但透過正確的工程實踐和一點點運氣 我們有很高的機會 總有一天成為跨行星的物種 今天 我們了解了航空工程及其兩個主要領域——航空工程與航天工程 我們將升力和浮力的概念應用於飛行 發現推進系統比熱氣球更有效 我們了解到在太空中管理人體是航天工程師面臨的最大挑戰之一 最後 我們了解到製造一套優質太空服需要考慮哪些因素 我下次再與你談論電腦工程 《工程速成課》由PBS數位工作室製作 該工作室也製作《時空之旅》 探索宇宙的邊際、天體物理學的深奧 以及地球以外任何你能想到的事 物請在描述中的連結中查看 《極速課程》是由Complexly製作的節目 本集是在雪莉·C·金尼博士工作室拍攝的 並得到了這些優 秀人士的幫助我們令人驚嘆的圖形團隊是Thought Cafe