飞行器在平流层上方，光靠阳光就能托举

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神秘的“禁飞区”迎来访客

在我们头顶50公里到85公里处、平流层上方、热层下方，是整个大气层最神秘的“禁飞区”——中间层。

你可能以为我们头顶的天空已经被飞机、热气球、卫星等飞行器“瓜分”得明明白白了，可在这片“夹心层”，空气稀薄到飞机飞不过去、气球也上不去，对卫星来说又太低，以至于这个中间层成了长期以来的观测盲区。

哈佛大学、芝加哥大学等高校的研究团队最近提出一个听起来像科幻、但已经在实验室里被做出来的观测点子：靠阳光就能悬浮的超轻“魔毯”，能去那儿打探风速、温度和压力等气象预报关键信息。

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超轻双层“魔毯”的独特

按照论文的设计这个“魔毯”，本体其实是一个超轻的纳米结构：两层带细孔的薄膜，中间用微小立柱连接，像超轻的“纳米瓦楞纸板”。它们主要由氧化铝薄膜构成，底面再镀一层能吸光发热的金属（如铬）。

总的来看，它只有一厘米厚，比一粒盐还轻，还能携带10毫克级别的载荷，例如微型风速计、温度计或压力传感器，方便在中间层进行气候观测、通信中继等功能。

至于它是怎么飞那么高的，就要说到阳光的作用了——它就是“被阳光托起”被动飞行器。

不过首先要搞清楚，这个“光之飞行器”可不是以前我们说过的太阳帆或者热气球。太阳帆靠的是光压：照射在巨大镜面上的光，经由光子的反射产生辐射压提供了微小的推力，从而推动飞行器远航。热气球则是靠飞行器内部的热空气，产生浮力上升。

这都不是这个新型光飞行器的飞行原理。

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“热泳力”送上青云

这里的主角，是气体分子在冷热两侧不同反弹强度带来的“热泳力”，光说白了只是“加热器”。

实验室设计图

当气体分子撞击物体表面时，若物体两侧存在温度差，如一侧受热、另一侧较冷，气体分子从较热侧反弹的力度会大于从较冷侧反弹的力度。这种非对称的分子碰撞，会产生持续的“净动量”，形成向上的升力，这就是热泳力。

换句话说，当气体分子撞到物体的“热的一面”，会比撞到“冷的一面”反弹得更猛，于是给物体一个持续的“推力”。

热泳效应只会在极低气压环境下变得明显——恰好中间层就是这个环境。这是因为气压足够低时，气体分子平均自由程较长，碰撞方向更易受温差影响。简单来说，就是当气体稀薄到一定程度，分子在两次碰撞之间能跑很远。

相比靠光子反射推进的太阳帆，这里推力来源是被加热后的气体分子，只在仍有空气的高空才有效。在这里，阳光提供温差，新型飞行器中间的几何型穿孔又放大了流量，使得飞行器在稀薄空气里被分子一点点“顶”起来。

其实按照这个原理，单层纳米材料做成的薄片，受光加热后也会产生热泳力，为什么要设计成双层？

单层可以，但是推力小、可设计性差；双层能夹出一段“微腔”，密布着贯通两侧的微孔，再用立柱稳固层间距，这样一来，温差主要落在孔道里，热渗流被强迫放大。

当第一批能在中间层白天漂浮、夜里缓缓下潜的光之飞行器升空时，有望填补长期以来大气数据的空白，提升气候模型精度。

研究者们还提到，如果把它们做成编队，能形成“漂浮式天线阵列”，在某些场景里实现与近地轨道卫星接近的传输能力。因为它们比卫星离地更近，时延还可能更低。

只不过现在载荷能力不足，如果能把通信载荷真正集成上去，对我们的通信影响会更大。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

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