沈海軍 陳賢達(dá)

2011年6月26日，當(dāng)今世界上最大、最先進(jìn)的太陽(yáng)能飛機(jī)——“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)在第49屆巴黎航展上成功進(jìn)行了20分鐘的飛行展示。就在大約一年前，這架飛機(jī)曾創(chuàng)造了26小時(shí)零9分鐘晝夜不間斷飛行的記錄?！疤?yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)的成功，讓人們對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)刮目相看。

隨著石油等地球上傳統(tǒng)能源的衰竭，以及傳統(tǒng)航空燃料廢氣排放對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境威脅的日益加劇，尋求低污染的綠色新能源已經(jīng)成為當(dāng)今航空領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。各種五花八門(mén)的新能源飛機(jī)方案，前所未有地得到重視，統(tǒng)統(tǒng)被提上了議程。它們包括人力飛機(jī)、天然氣飛機(jī)、燃料電池飛機(jī)、太陽(yáng)能飛機(jī)、微波飛機(jī)、核廢料動(dòng)力飛機(jī)、生物燃料飛機(jī)，甚至“地溝油”飛機(jī)等。其中，太陽(yáng)能飛機(jī)備受關(guān)注，并表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。太陽(yáng)能飛機(jī)之所以受到人們的鐘愛(ài)，主要在于太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的普遍性、無(wú)害性、巨大性和長(zhǎng)久性。

逐日飛行

20世紀(jì)60年代，人類(lèi)發(fā)明太陽(yáng)能電池后，太陽(yáng)能飛機(jī)就開(kāi)始引起航空界人士的高度重視。

追溯太陽(yáng)能飛機(jī)的歷史，世界上第一架太陽(yáng)能飛機(jī)當(dāng)數(shù)美國(guó)的“太陽(yáng)高升”號(hào)。1979年4月，在美國(guó)里費(fèi)塞德城的費(fèi)拉博布機(jī)場(chǎng)上空，飛行員莫羅駕駛著“太陽(yáng)高升”號(hào)太陽(yáng)能飛機(jī)實(shí)現(xiàn)首飛。該飛機(jī)質(zhì)輕而堅(jiān)固，重量?jī)H為57千克，在12米的高度上飛行了1分鐘，航程800米。盡管從飛行高度、飛行時(shí)間等指標(biāo)看，全球首架太陽(yáng)能飛機(jī)的性能并不理想，但它的試飛成功開(kāi)啟了人類(lèi)新的夢(mèng)想。

1980年8月，美國(guó)航空工程師麥克里迪成功設(shè)計(jì)出了“飄忽企鵝”號(hào)太陽(yáng)能飛機(jī)。這架飛機(jī)機(jī)翼上共安裝了1.6萬(wàn)塊太陽(yáng)能電池板，由女駕駛員珍尼絲·布朗駕駛。飛機(jī)在飛行14分鐘、3600米后，成功降落。雖然此次飛行的高度僅為30米，并不能保證飛機(jī)可以獲得足夠的陽(yáng)光；但它的成功，再次驗(yàn)證了太陽(yáng)能飛機(jī)設(shè)計(jì)方案的可行性。

隨后，麥克里迪對(duì)自己的太陽(yáng)能飛機(jī)進(jìn)行全面改進(jìn)：起落架及主結(jié)構(gòu)全部采用強(qiáng)度為鋼鐵5倍的聚芳族纖維，機(jī)體和機(jī)翼蒙皮采用聚脂薄膜，機(jī)翼夾層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用聚芳纖維紙蜂窩。復(fù)合材料的全面使用使得這架名叫“太陽(yáng)挑戰(zhàn)者”號(hào)的飛機(jī)既牢固又輕便，飛機(jī)重量?jī)H為90千克。它的主翼和尾翼上共裝有16128塊太陽(yáng)能電池，機(jī)長(zhǎng)9.1米，翼展14.3米。1980年12月，新設(shè)計(jì)的“太陽(yáng)挑戰(zhàn)者”號(hào)試飛成功。飛機(jī)共飛行了370千米，用時(shí)8小時(shí)，最大飛行高度達(dá)4360米。

1981年7月，“太陽(yáng)挑戰(zhàn)者”號(hào)再度出發(fā)，成功飛越英吉利海峽。這次飛行，飛機(jī)從位于巴黎西北部25英里的維克辛起飛，以每小時(shí)30英里的速度、1.1萬(wàn)英尺的高度飛行，最終完成了全長(zhǎng)165英里的旅行。此次飛行也標(biāo)志著太陽(yáng)能飛機(jī)作為一種新能源飛機(jī)成為飛機(jī)家族的重要成員。

在此后的20年里，由于技術(shù)原因，太陽(yáng)能飛機(jī)的發(fā)展非常緩慢。直到20世紀(jì)末21世紀(jì)初，人們對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)的研究探索活動(dòng)才再一次變得活躍起來(lái)。這中間，最著名的一款飛機(jī)是美國(guó)航空環(huán)境公司和美國(guó)航空航天局共同研制的“太陽(yáng)神”號(hào)太陽(yáng)能無(wú)人飛機(jī)。

“太陽(yáng)神”號(hào)主要由碳纖維復(fù)合材料制成，機(jī)身長(zhǎng)2.4米，整機(jī)重590千克，與一輛小汽車(chē)的重量相當(dāng)。它的最大特點(diǎn)是有一對(duì)很寬的活動(dòng)機(jī)翼，機(jī)翼全面伸展時(shí)可達(dá)75米?！疤?yáng)神”號(hào)機(jī)翼前緣裝有14個(gè)螺旋槳，動(dòng)力來(lái)源于機(jī)翼上表面的6.5萬(wàn)片太陽(yáng)能電池板。清晨，“太陽(yáng)神”號(hào)裝備的太陽(yáng)能電池可以為飛機(jī)提供10千瓦的電能，使飛機(jī)以33米/秒的速度爬升。中午時(shí)分，烈日當(dāng)空，電池提供的電能可達(dá)到40千瓦，飛機(jī)的動(dòng)力性能達(dá)到最佳，能以每小時(shí)30~50千米的巡航速度飛行。晚上，飛機(jī)則依靠蓄電池儲(chǔ)存的電能進(jìn)行飛行。

2001年，“太陽(yáng)神”號(hào)樣機(jī)完成，并在夏威夷完成首飛。然而不幸的是，2003年6月，“太陽(yáng)神”號(hào)在試飛時(shí)突然發(fā)生空中解體，墜入夏威夷考艾島附近海域。

不僅美國(guó)在研制太陽(yáng)能飛機(jī)，全球其他國(guó)家也在大力研發(fā)太陽(yáng)能飛機(jī)。2003年，英國(guó)科學(xué)家提出了“西風(fēng)”號(hào)太陽(yáng)能飛機(jī)計(jì)劃，旨在研發(fā)一種用于高空偵察的太陽(yáng)能無(wú)人偵察機(jī)。2006年8月，首架太陽(yáng)能無(wú)人偵察機(jī)“西風(fēng)”號(hào)試飛成功。該機(jī)采用全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航，最大飛行高度為4萬(wàn)米。它依靠太陽(yáng)能電池提供動(dòng)力，設(shè)計(jì)者希望它能夠持續(xù)飛行數(shù)月，對(duì)地面目標(biāo)實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控。從2003年至今，英國(guó)科學(xué)家已先后制造了4架“西風(fēng)”號(hào)樣機(jī)，它們都非常輕巧，每架飛機(jī)總重量不超過(guò)33千克；飛機(jī)機(jī)翼由碳素纖維制成，寬12.2米，表面覆蓋著一塊塊太陽(yáng)能電池面板，收集到的太陽(yáng)能一方面用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳，一方面被儲(chǔ)存到40節(jié)鋰電池中，供夜間飛行使用。

值得一提的是，“西風(fēng)”號(hào)是為高空飛行設(shè)計(jì)的，機(jī)身較脆弱，動(dòng)力也較小，因此不能完全依靠自身動(dòng)力起飛。為了使“西風(fēng)”號(hào)飛機(jī)成功起飛，其發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，尚需3名壯漢推著飛機(jī)沿跑道一路狂奔，才能將它“送”上藍(lán)天。

近年來(lái)，瑞士科學(xué)家在太陽(yáng)能飛機(jī)的研究上走到了世界前列。“天空使者”號(hào)是蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院和歐洲宇航局合作設(shè)計(jì)的一款太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)火星研究飛行器。2005年初，科學(xué)家們建造和測(cè)試了首臺(tái)“天空使者”號(hào)原型機(jī)；通過(guò)手動(dòng)發(fā)射，該飛機(jī)在地球上空持續(xù)飛行了5小時(shí)?！疤炜帐拐摺碧?hào)要在火星上空飛行，必須滿足以下火星飛行條件：低密度大氣層、微弱的太陽(yáng)能、多變的風(fēng)向和冰點(diǎn)以下溫度。為此，科學(xué)家們進(jìn)行了詳細(xì)論證，最后將飛機(jī)的翼展定為3.2米，設(shè)計(jì)時(shí)速定為30千米/小時(shí)，整機(jī)重量為2.6千克。研究者相信，隨著技術(shù)的進(jìn)步，在未來(lái)10~20年，“天空使者”號(hào)將能夠抵達(dá)火星內(nèi)軌道。

“天空使者”號(hào)采用了大量的輕木、碳纖維等剛性輕質(zhì)材料。飛行器配備216塊硅太陽(yáng)能電池，在理想太陽(yáng)光條件下可提供80瓦特以上的電力。由于擁有小而輕的結(jié)構(gòu)，飛機(jī)上可以裝載一些高技術(shù)設(shè)備。比如，數(shù)字傳感器可以測(cè)量飛行高度和空中飛行速度，這使飛機(jī)能夠在諸如海岸或者峽谷之類(lèi)的目標(biāo)上空飛行。攜帶的電荷耦合照相機(jī)可拍攝地面圖像。當(dāng)飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，科學(xué)家還可以通過(guò)一個(gè)地面控制站監(jiān)控和給飛機(jī)發(fā)送指令。

除了上述知名的太陽(yáng)能飛機(jī)外，近些年來(lái)歐美等國(guó)還相繼研發(fā)了其他一些太陽(yáng)能飛機(jī)。

追日夢(mèng)想

“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)是目前最先進(jìn)的太陽(yáng)能飛機(jī)，總設(shè)計(jì)師為瑞士的皮卡爾。對(duì)于皮卡爾來(lái)講，他的追日夢(mèng)想過(guò)程極為坎坷。

皮卡爾是瑞士的一名探險(xiǎn)家。早在2003年，他就提出了自己的太陽(yáng)能飛機(jī)環(huán)球飛行構(gòu)想。他計(jì)劃駕駛一架太陽(yáng)能飛機(jī)，經(jīng)過(guò)5次起降，實(shí)現(xiàn)環(huán)球晝夜飛行，這一計(jì)劃被命名為“太陽(yáng)脈動(dòng)”。2007年11月，皮卡爾首次展出了自己的“太陽(yáng)脈動(dòng)”計(jì)劃中所使用的太陽(yáng)能飛機(jī)樣機(jī)。

由于當(dāng)時(shí)世界上還沒(méi)有駕駛太陽(yáng)能飛機(jī)嘗試晝夜連續(xù)飛行的先例，因此在實(shí)際飛行前，皮卡爾和他的研究小組決定完成一次計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬以保證飛行安全。該模擬過(guò)程耗時(shí)22天，模擬中充分考慮了“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)可能遇到的各種實(shí)際情況。飛機(jī)在白天攀升到高空，在夜間降低飛行高度，以節(jié)省能源。此外，模擬還考慮了諸如遭遇惡劣天氣，以及如何避開(kāi)云層、如何最大限度獲取陽(yáng)光等問(wèn)題。

2009年，皮卡爾的研究小組趕制出了第一架“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)飛機(jī)，該飛機(jī)的翼展為63米，和大型客機(jī)波音747翼展相當(dāng)，堪稱(chēng)世界上最大的太陽(yáng)能飛機(jī)。為了展示這一神奇飛機(jī)的英姿，駕駛員施德?tīng)栺{駛“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)飛機(jī)持續(xù)飛行了20分鐘。該飛機(jī)所采用的超輕材料、太陽(yáng)能電池、能量管理系統(tǒng)、駕駛員健康檢測(cè)系統(tǒng)等都代表了當(dāng)時(shí)的最新技術(shù)水平。

皮卡爾的飛機(jī)由碳纖維制成，機(jī)翼表面覆蓋有240平方米的太陽(yáng)能光電板，太陽(yáng)能光電板將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存到一組400千克的超薄鋰電池中，帶動(dòng)機(jī)翼上4個(gè)電動(dòng)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，為飛機(jī)提供動(dòng)力。該飛機(jī)能在1萬(wàn)米以上高度以70千米/小時(shí)的速度巡航飛行。在此次飛行中，“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)從太陽(yáng)得到的平均功率與萊特兄弟1903年制造的飛機(jī)功率相當(dāng)。制造如此超輕細(xì)長(zhǎng)機(jī)翼是前所未有的技術(shù)考驗(yàn)，在1.2萬(wàn)米以上高空行駛，駕駛艙需要增壓、保溫和除濕。另外，為節(jié)省能源減輕重量，駕駛艙設(shè)計(jì)得很小，只能容下一位飛行員。

2010年7月8日早晨8點(diǎn)，“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)由瑞士探險(xiǎn)家勃希伯格駕駛，在距瑞士首都伯爾尼西南大約48千米的帕耶那機(jī)場(chǎng)，成功完成首次晝夜試飛。

在此次飛行中，“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)創(chuàng)造了26小時(shí)零9分鐘的不間斷晝夜飛行記錄，這也是太陽(yáng)能飛機(jī)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、飛行高度最高的世界記錄。它的成功證明新型太陽(yáng)能飛機(jī)在黑夜也能飛行，從理論上可以實(shí)現(xiàn)永遠(yuǎn)翱翔天際的夢(mèng)想。

瓶頸難破

目前，地球資源日益枯竭，大氣污染逐年增大，已嚴(yán)重影響了人們的生活。數(shù)據(jù)顯示，全球航空業(yè)的二氧化碳排放占全球碳排放量的2%~3%，每噸航空煤油的使用會(huì)產(chǎn)生3噸二氧化碳。為此，歐盟等地區(qū)或國(guó)家已經(jīng)要求，航空公司必須在今年之前減少3%的二氧化碳排放，否則將征收“碳稅”。在這種背景下，作為零污染、零碳排放的新能源太陽(yáng)能飛機(jī)，無(wú)疑讓人們看到了曙光。

太陽(yáng)能飛機(jī)的飛行原理與普通飛機(jī)一樣，兩者的最大區(qū)別主要在于動(dòng)力系統(tǒng)。太陽(yáng)能飛機(jī)的動(dòng)力裝置主要由太陽(yáng)能電池板、直流電機(jī)、調(diào)速器、螺旋槳和電力管理設(shè)備等組成；對(duì)于長(zhǎng)航時(shí)晝夜飛行的太陽(yáng)能飛機(jī)，還要安裝能量?jī)?chǔ)存設(shè)備（蓄電池）。

但是，太陽(yáng)能飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的特殊性也給太陽(yáng)能飛機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了不小的瓶頸。

首先，目前較為成熟的晶體硅和非晶體太陽(yáng)能電池板的能量利用率還比較低，光電轉(zhuǎn)換率僅為10%~20%。因此，為了獲得更多的太陽(yáng)能，使得飛機(jī)具備足夠大的升力，鋪設(shè)在機(jī)翼上表面的太陽(yáng)能板必須做得足夠大。和常規(guī)的航空燃油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力相比，太陽(yáng)能電池的動(dòng)力顯然要遜色得多。至今為止，人們研制的太陽(yáng)能飛機(jī)大都僅限于無(wú)人機(jī)或輕型單人飛機(jī)，主要原因就在于此。

其次，和碳纖維等復(fù)合材料相比，太陽(yáng)能電池板的重量相對(duì)較重；晶體硅太陽(yáng)能電池板的密度大約是玻璃鋼航空復(fù)合材料密度的1.5倍，但它卻非?！皨少F”，設(shè)計(jì)時(shí)人們不能讓其兼做飛機(jī)的結(jié)構(gòu)而承受載荷。這樣一來(lái)，作為動(dòng)力而鋪設(shè)在機(jī)翼表面的巨大太陽(yáng)能電池板實(shí)際上給飛機(jī)增添了不小的重量和“負(fù)擔(dān)”。在許多情況下，鋪設(shè)在機(jī)翼上表面的太陽(yáng)能板的重量甚至可以達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的一半左右。如果飛機(jī)太重，其飛行就會(huì)變得困難，于是太陽(yáng)能飛機(jī)的設(shè)計(jì)通常要求結(jié)構(gòu)盡量減重；然而，既要飛機(jī)機(jī)翼表面足夠大，又要足夠輕，在空氣動(dòng)力的作用下機(jī)翼結(jié)構(gòu)就極有可能因強(qiáng)度、剛度等問(wèn)題而遭到破壞。

第三，為了得到足夠的太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)能飛機(jī)通常需要在高空飛行，以避免對(duì)流層中云彩、雨雪等對(duì)陽(yáng)光輻射的影響。由飛行原理可知，飛機(jī)的升力與飛行高度處空氣的密度、飛機(jī)機(jī)翼面積、飛行速度的平方成正比。高空中，空氣密度減少，飛機(jī)升力也會(huì)減少，這樣一來(lái)，飛機(jī)要正常飛行，就要求其太陽(yáng)能電池保持充足持續(xù)的供電能力，從而讓飛機(jī)維持較高的飛行速度和升力。

此外，超薄的太陽(yáng)能電池還要面臨機(jī)翼變形、振動(dòng)、強(qiáng)紫外線照射以及大幅度溫度變化等復(fù)雜因素導(dǎo)致的破壞的發(fā)生。

凡此種種，并不比生產(chǎn)研制出一架普通飛機(jī)簡(jiǎn)單，因此太陽(yáng)能飛機(jī)要真正滿足現(xiàn)代航空運(yùn)輸業(yè)的要求，仍然前路漫漫。

【責(zé)任編輯】趙菲