讓陽光驅(qū)動飛機

2011年6月26日，當今世界上最大、最先進的太陽能飛機——“太陽驅(qū)動”號在第49屆巴黎航展上成功進行了20分鐘的飛行展示。就在大約一年前，這架飛機曾創(chuàng)造了26小時零9分鐘晝夜不間斷飛行的記錄?！疤栻?qū)動”號的成功，讓人們對太陽能飛機刮目相看。

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人類生存環(huán)境威脅的日益加劇，尋求低污染的綠色新能源已經(jīng)成為當今航空領域的一個重要課題。各種五花八門的新能源飛機方案，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、天然氣飛機、燃料電池飛機、太陽能飛機、微波飛機、核廢料動力飛機、生物燃料飛機，甚至“地溝油”飛機等。其中，太陽能飛機備受關(guān)注，并表現(xiàn)出很好的應用前景。太陽能飛機之所以受到人們的鐘愛，主要在于太陽能開發(fā)利用的普遍性、無害性、巨大性和長久性。

逐日飛行

20世紀60年代，人類發(fā)明太陽能電池后，太陽能飛機就開始引起航空界人士的高度重視。

追溯太陽能飛機的歷史，世界上第一架太陽能飛機當數(shù)美國的“太陽高升”號。1979年4月，在美國里費塞德城的費拉博布機場上空，飛行員莫羅駕駛著“太陽高升”號太陽能飛機實現(xiàn)首飛。該飛機質(zhì)輕而堅固，重量僅為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、飛行時間等指標看，全球首架太陽能飛機的性能并不理想，但它的試飛成功開啟了人類新的夢想。

1980年8月，美國航空工程師麥克里迪成功設計出了“飄忽企鵝”號太陽能飛機。這架飛機機翼上共安裝了1.6萬塊太陽能電池板，由女駕駛員珍尼絲·布朗駕駛。飛機在飛行14分鐘、3600米后，成功降落。雖然此次飛行的高度僅為30米，并不能保證飛機可以獲得足夠的陽光；但它的成功，再次驗證了太陽能飛機設計方案的可行性。

隨后，麥克里迪對自己的太陽能飛機進行全面改進：起落架及主結(jié)構(gòu)全部采用強度為鋼鐵5倍的聚芳族纖維，機體和機翼蒙皮采用聚脂薄膜，機翼夾層結(jié)構(gòu)中應用聚芳纖維紙蜂窩。復合材料的全面使用使得這架名叫“太陽挑戰(zhàn)者”號的飛機既牢固又輕便，飛機重量僅為90千克。它的主翼和尾翼上共裝有16128塊太陽能電池，機長9.1米，翼展14.3米。1980年12月，新設計的“太陽挑戰(zhàn)者”號試飛成功。飛機共飛行了370千米，用時8小時，最大飛行高度達4360米。

1981年7月，“太陽挑戰(zhàn)者”號再度出發(fā)，成功飛越英吉利海峽。這次飛行，飛機從位于巴黎西北部25英里的維克辛起飛，以每小時30英里的速度、1.1萬英尺的高度飛行，最終完成了全長165英里的旅行。此次飛行也標志著太陽能飛機作為一種新能源飛機成為飛機家族的重要成員。

在此后的20年里，由于技術(shù)原因，太陽能飛機的發(fā)展非常緩慢。直到20世紀末21世紀初，人們對太陽能飛機的研究探索活動才再一次變得活躍起來。這中間，最著名的一款飛機是美國航空環(huán)境公司和美國航空航天局共同研制的“太陽神”號太陽能無人飛機。

“太陽神”號主要由碳纖維復合材料制成，機身長2.4米，整機重590千克，與一輛小汽車的重量相當。它的最大特點是有一對很寬的活動機翼，機翼全面伸展時可達75米?！疤柹瘛碧枡C翼前緣裝有14個螺旋槳，動力來源于機翼上表面的6.5萬片太陽能電池板。清晨，“太陽神”號裝備的太陽能電池可以為飛機提供10千瓦的電能，使飛機以33米/秒的速度爬升。中午時分，烈日當空，電池提供的電能可達到40千瓦，飛機的動力性能達到最佳，能以每小時30~50千米的巡航速度飛行。晚上，飛機則依靠蓄電池儲存的電能進行飛行。

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

不僅美國在研制太陽能飛機，全球其他國家也在大力研發(fā)太陽能飛機。2003年，英國科學家提出了“西風”號太陽能飛機計劃，旨在研發(fā)一種用于高空偵察的太陽能無人偵察機。2006年8月，首架太陽能無人偵察機“西風”號試飛成功。該機采用全球定位系統(tǒng)導航，最大飛行高度為4萬米。它依靠太陽能電池提供動力，設計者希望它能夠持續(xù)飛行數(shù)月，對地面目標實施長時間監(jiān)控。從2003年至今，英國科學家已先后制造了4架“西風”號樣機，它們都非常輕巧，每架飛機總重量不超過33千克；飛機機翼由碳素纖維制成，寬12.2米，表面覆蓋著一塊塊太陽能電池面板，收集到的太陽能一方面用于驅(qū)動螺旋槳，一方面被儲存到40節(jié)鋰電池中，供夜間飛行使用。

值得一提的是，“西風”號是為高空飛行設計的，機身較脆弱，動力也較小，因此不能完全依靠自身動力起飛。為了使“西風”號飛機成功起飛，其發(fā)動機啟動后，尚需3名壯漢推著飛機沿跑道一路狂奔，才能將它“送”上藍天。

近年來，瑞士科學家在太陽能飛機的研究上走到了世界前列?！疤炜帐拐摺碧柺翘K黎世瑞士聯(lián)邦理工學院和歐洲宇航局合作設計的一款太陽能驅(qū)動火星研究飛行器。2005年初，科學家們建造和測試了首臺“天空使者”號原型機；通過手動發(fā)射，該飛機在地球上空持續(xù)飛行了5小時。“天空使者”號要在火星上空飛行，必須滿足以下火星飛行條件：低密度大氣層、微弱的太陽能、多變的風向和冰點以下溫度。為此，科學家們進行了詳細論證，最后將飛機的翼展定為3.2米，設計時速定為30千米/小時，整機重量為2.6千克。研究者相信，隨著技術(shù)的進步，在未來10~20年，“天空使者”號將能夠抵達火星內(nèi)軌道。

“天空使者”號采用了大量的輕木、碳纖維等剛性輕質(zhì)材料。飛行器配備216塊硅太陽能電池，在理想太陽光條件下可提供80瓦特以上的電力。由于擁有小而輕的結(jié)構(gòu)，飛機上可以裝載一些高技術(shù)設備。比如，數(shù)字傳感器可以測量飛行高度和空中飛行速度，這使飛機能夠在諸如海岸或者峽谷之類的目標上空飛行。攜帶的電荷耦合照相機可拍攝地面圖像。當飛機自動駕駛系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，科學家還可以通過一個地面控制站監(jiān)控和給飛機發(fā)送指令。

除了上述知名的太陽能飛機外，近些年來歐美等國還相繼研發(fā)了其他一些太陽能飛機。

追日夢想

“太陽驅(qū)動”號是目前最先進的太陽能飛機，總設計師為瑞士的皮卡爾。對于皮卡爾來講，他的追日夢想過程極為坎坷。

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

由于當時世界上還沒有駕駛太陽能飛機嘗試晝夜連續(xù)飛行的先例，因此在實際飛行前，皮卡爾和他的研究小組決定完成一次計算機數(shù)據(jù)模擬以保證飛行安全。該模擬過程耗時22天，模擬中充分考慮了“太陽驅(qū)動”號可能遇到的各種實際情況。飛機在白天攀升到高空，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，以及如何避開云層、如何最大限度獲取陽光等問題。

2009年，皮卡爾的研究小組趕制出了第一架“太陽驅(qū)動”號飛機，該飛機的翼展為63米，和大型客機波音747翼展相當，堪稱世界上最大的太陽能飛機。為了展示這一神奇飛機的英姿，駕駛員施德爾駕駛“太陽驅(qū)動”號飛機持續(xù)飛行了20分鐘。該飛機所采用的超輕材料、太陽能電池、能量管理系統(tǒng)、駕駛員健康檢測系統(tǒng)等都代表了當時的最新技術(shù)水平。

皮卡爾的飛機由碳纖維制成，機翼表面覆蓋有240平方米的太陽能光電板，太陽能光電板將陽光轉(zhuǎn)化為電能，儲存到一組400千克的超薄鋰電池中，帶動機翼上4個電動螺旋槳發(fā)動機，為飛機提供動力。該飛機能在1萬米以上高度以70千米/小時的速度巡航飛行。在此次飛行中，“太陽驅(qū)動”號從太陽得到的平均功率與萊特兄弟1903年制造的飛機功率相當。制造如此超輕細長機翼是前所未有的技術(shù)考驗，在1.2萬米以上高空行駛，駕駛艙需要增壓、保溫和除濕。另外，為節(jié)省能源減輕重量，駕駛艙設計得很小，只能容下一位飛行員。

2010年7月8日早晨8點，“太陽驅(qū)動”號由瑞士探險家勃希伯格駕駛，在距瑞士首都伯爾尼西南大約48千米的帕耶那機場，成功完成首次晝夜試飛。

在此次飛行中，“太陽驅(qū)動”號創(chuàng)造了26小時零9分鐘的不間斷晝夜飛行記錄，這也是太陽能飛機持續(xù)時間最長、飛行高度最高的世界記錄。它的成功證明新型太陽能飛機在黑夜也能飛行，從理論上可以實現(xiàn)永遠翱翔天際的夢想。

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產(chǎn)生3噸二氧化碳。為此，歐盟等地區(qū)或國家已經(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能飛機，無疑讓人們看到了曙光。

太陽能飛機的飛行原理與普通飛機一樣，兩者的最大區(qū)別主要在于動力系統(tǒng)。太陽能飛機的動力裝置主要由太陽能電池板、直流電機、調(diào)速器、螺旋槳和電力管理設備等組成；對于長航時晝夜飛行的太陽能飛機，還要安裝能量儲存設備（蓄電池）。

但是，太陽能飛機動力系統(tǒng)的特殊性也給太陽能飛機的發(fā)展帶來了不小的瓶頸。

首先，目前較為成熟的晶體硅和非晶體太陽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能，使得飛機具備足夠大的升力，鋪設在機翼上表面的太陽能板必須做得足夠大。和常規(guī)的航空燃油發(fā)動機動力相比，太陽能電池的動力顯然要遜色得多。至今為止，人們研制的太陽能飛機大都僅限于無人機或輕型單人飛機，主要原因就在于此。

其次，和碳纖維等復合材料相比，太陽能電池板的重量相對較重；晶體硅太陽能電池板的密度大約是玻璃鋼航空復合材料密度的1.5倍，但它卻非常“嬌貴”，設計時人們不能讓其兼做飛機的結(jié)構(gòu)而承受載荷。這樣一來，作為動力而鋪設在機翼表面的巨大太陽能電池板實際上給飛機增添了不小的重量和“負擔”。在許多情況下，鋪設在機翼上表面的太陽能板的重量甚至可以達到飛機結(jié)構(gòu)重量的一半左右。如果飛機太重，其飛行就會變得困難，于是太陽能飛機的設計通常要求結(jié)構(gòu)盡量減重；然而，既要飛機機翼表面足夠大，又要足夠輕，在空氣動力的作用下機翼結(jié)構(gòu)就極有可能因強度、剛度等問題而遭到破壞。

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

此外，超薄的太陽能電池還要面臨機翼變形、振動、強紫外線照射以及大幅度溫度變化等復雜因素導致的破壞的發(fā)生。

凡此種種，并不比生產(chǎn)研制出一架普通飛機簡單，因此太陽能飛機要真正滿足現(xiàn)代航空運輸業(yè)的要求，仍然前路漫漫。

【責任編輯】趙 菲