让阳光驱动飞机

    
    2011年6月26日，当今世界上最大、最先进的太阳能飞机——“太阳驱动”号在第49届巴黎航展上成功进行了20分钟的飞行展示。就在大约一年前，这架飞机曾创造了26小时零9分钟昼夜不间断飞行的记录。“太阳驱动”号的成功，让人们对太阳能飞机刮目相看。
    随着石油等地球上传统能源的衰竭，以及传统航空燃料废气排放对人类生存环境威胁的日益加剧，寻求低污染的绿色新能源已经成为当今航空领域的一个重要课题。各种五花八门的新能源飞机方案，前所未有地得到重视，统统被提上了议程。它们包括人力飞机、天然气飞机、燃料电池飞机、太阳能飞机、微波飞机、核废料动力飞机、生物燃料飞机，甚至“地沟油”飞机等。其中，太阳能飞机备受关注，并表现出很好的应用前景。太阳能飞机之所以受到人们的钟爱，主要在于太阳能开发利用的普遍性、无害性、巨大性和长久性。
    逐日飞行
    20世纪60年代，人类发明太阳能电池后，太阳能飞机就开始引起航空界人士的高度重视。
    追溯太阳能飞机的历史，世界上第一架太阳能飞机当数美国的“太阳高升”号。1979年4月，在美国里费塞德城的费拉博布机场上空，飞行员莫罗驾驶着“太阳高升”号太阳能飞机实现首飞。该飞机质轻而坚固，重量仅为57千克，在12米的高度上飞行了1分钟，航程800米。尽管从飞行高度、飞行时间等指标看，全球首架太阳能飞机的性能并不理想，但它的试飞成功开启了人类新的梦想。
    1980年8月，美国航空工程师麦克里迪成功设计出了“飘忽企鹅”号太阳能飞机。这架飞机机翼上共安装了1.6万块太阳能电池板，由女驾驶员珍尼丝•布朗驾驶。飞机在飞行14分钟、3600米后，成功降落。虽然此次飞行的高度仅为30米，并不能保证飞机可以获得足够的阳光；但它的成功，再次验证了太阳能飞机设计方案的可行性。
    随后，麦克里迪对自己的太阳能飞机进行全面改进：起落架及主结构全部采用强度为钢铁5倍的聚芳族纤维，机体和机翼蒙皮采用聚脂薄膜，机翼夹层结构中应用聚芳纤维纸蜂窝。复合材料的全面使用使得这架名叫“太阳挑战者”号的飞机既牢固又轻便，飞机重量仅为90千克。它的主翼和尾翼上共装有16128块太阳能电池，机长9.1米，翼展14.3米。1980年12月，新设计的“太阳挑战者”号试飞成功。飞机共飞行了370千米，用时8小时，最大飞行高度达4360米。
    1981年7月，“太阳挑战者”号再度出发，成功飞越英吉利海峡。这次飞行，飞机从位于巴黎西北部25英里的维克辛起飞，以每小时30英里的速度、1.1万英尺的高度飞行，最终完成了全长165英里的旅行。此次飞行也标志着太阳能飞机作为一种新能源飞机成为飞机家族的重要成员。
    在此后的20年里，由于技术原因，太阳能飞机的发展非常缓慢。直到20世纪末21世纪初，人们对太阳能飞机的研究探索活动才再一次变得活跃起来。这中间，最著名的一款飞机是美国航空环境公司和美国航空航天局共同研制的“太阳神”号太阳能无人飞机。
    “太阳神”号主要由碳纤维复合材料制成，机身长2.4米，整机重590千克，与一辆小汽车的重量相当。它的最大特点是有一对很宽的活动机翼，机翼全面伸展时可达75米。“太阳神”号机翼前缘装有14个螺旋桨，动力来源于机翼上表面的6.5万片太阳能电池板。清晨，“太阳神”号装备的太阳能电池可以为飞机提供10千瓦的电能，使飞机以33米／秒的速度爬升。中午时分，烈日当空，电池提供的电能可达到40千瓦，飞机的动力性能达到最佳，能以每小时30—50千米的巡航速度飞行。晚上，飞机则依靠蓄电池储存的电能进行飞行。
    2001年，“太阳神”号样机完成，并在夏威夷完成首飞。然而不幸的是，2003年6月，“太阳神”号在试飞时突然发生空中解体，坠入夏威夷考艾岛附近海域。
    不仅美国在研制太阳能飞机，全球其他国家也在大力研发太阳能飞机。2003年，英国科学家提出了“西风”号太阳能飞机计划，旨在研发一种用于高空侦察的太阳能无人侦察机。2006年8月，首架太阳能无人侦察机“西风”号试飞成功。该机采用全球定位系统导航，最大飞行高度为4万米。它依靠太阳能电池提供动力，设计者希望它能够持续飞行数月，对地面目标实施长时间监控。从2003年至今，英国科学家已先后制造了4架“西风”号样机，它们都非常轻巧，每架飞机总重量不超过33千克；飞机机翼由碳素纤维制成，宽12.2米，表面覆盖着一块块太阳能电池面板，收集到的太阳能一方面用于驱动螺旋桨，一方面被储存到40节锂电池中，供夜间飞行使用。
    值得一提的是，“西风”号是为高空飞行设计的，机身较脆弱，动力也较小，因此不能完全依靠自身动力起飞。为了使“西风”号飞机成功起飞，其发动机启动后，尚需3名壮汉推着飞机沿跑道一路狂奔，才能将它“送”上蓝天。
    近年来，瑞士科学家在太阳能飞机的研究上走到了世界前列。“天空使者”号是苏黎世瑞士联邦理工学院和欧洲宇航局合作设计的一款太阳能驱动火星研究飞行器。2005年初，科学家们建造和测试了首台“天空使者”号原型机；通过手动发射，该飞机在地球上空持续飞行了5小时。“天空使者”号要在火星上空飞行，必须满足以下火星飞行条件：低密度大气层、微弱的太阳能、多变的风向和冰点以下温度。为此，科学家们进行了详细论证，最后将飞机的翼展定为3.2米，设计时速定为30千米／小时，整机重量为2.6千克。研究者相信，随着技术的进步，在未来10～20年，“天空使者”号将能够抵达火星内轨道。
    “天空使者”号采用了大量的轻木、碳纤维等刚性轻质材料。飞行器配备216块硅太阳能电池，在理想太阳光条件下可提供80瓦特以上的电力。由于拥有小而轻的结构，飞机上可以装载一些高技术设备。比如，数字传感器可以测量飞行高度和空中飞行速度，这使飞机能够在诸如海岸或者峡谷之类的目标上空飞行。携带的电荷耦合照相机可拍摄地面图像。当飞机自动驾驶系统出现故障时，科学家还可以通过一个地面控制站监控和给飞机发送指令。
    除了上述知名的太阳能飞机外，近些年来欧美等国还相继研发了其他一些太阳能飞机。
    追日梦想
    “太阳驱动”号是目前最先进的太阳能飞机，总设计师为瑞士的皮卡尔。对于皮卡尔来讲，他的追日梦想过程极为坎坷。
    皮卡尔是瑞士的一名探险家。早在2003年，他就提出了自己的太阳能飞机环球飞行构想。他计划驾驶一架太阳能飞机，经过5次起降，实现环球昼夜飞行，这一计划被命名为“太阳脉动”。2007年11月，皮卡尔首次展出了自己的“太阳脉动”计划中所使用的太阳能飞机样机。
    由于当时世界上还没有驾驶太阳能飞机尝试昼夜连续飞行的先例，因此在实际飞行前，皮卡尔和他的研究小组决定完成一次计算机数据模拟以保证飞行安全。该模拟过程耗时22天，模拟中充分考虑了“太阳驱动”号可能遇到的各种实际情况。飞机在白天攀升到高空，在夜间降低飞行高度，以节省能源。此外，模拟还考虑了诸如遭遇恶劣天气，以及如何避开云层、如何最大限度获取阳光等问题。
    2009年，皮卡尔的研究小组赶制出了第一架“太阳驱动”号飞机，该飞机的翼展为63米，和大型客机波音747翼展相当，堪称世界上最大的太阳能飞机。为了展示这一神奇飞机的英姿，驾驶员施德尔驾驶“太阳驱动”号飞机持续飞行了20分钟。该飞机所采用的超轻材料、太阳能电池、能量管理系统、驾驶员健康检测系统等都代表了当时的最新技术水平。
    皮卡尔的飞机由碳纤维制成，机翼表面覆盖有240平方米的太阳能光电板，太阳能光电板将阳光转化为电能，储存到一组400千克的超薄锂电池中，带动机翼上4个电动螺旋桨发动机，为飞机提供动力。该飞机能在1万米以上高度以70千米／小时的速度巡航飞行。在此次飞行中，“太阳驱动”号从太阳得到的平均功率与莱特兄弟1903年制造的飞机功率相当。制造如此超轻细长机翼是前所未有的技术考验，在1.2万米以上高空行驶，驾驶舱需要增压、保温和除湿。另外，为节省能源减轻重量，驾驶舱设计得很小，只能容下一位飞行员。
    2010年7月8日早晨8点，“太阳驱动”号由瑞士探险家勃希伯格驾驶，在距瑞士首都伯尔尼西南大约48千米的帕耶那机场，成功完成首次昼夜试飞。
    在此次飞行中，“太阳驱动”号创造了26小时零9分钟的不间断昼夜飞行记录，这也是太阳能飞机持续时间最长、飞行高度最高的世界记录。它的成功证明新型太阳能飞机在黑夜也能飞行，从理论上可以实现永远翱翔天际的梦想。
    瓶颈难破
    目前，地球资源日益枯竭，大气污染逐年增大，已严重影响了人们的生活。数据显示，全球航空业的二氧化碳排放占全球碳排放量的2%～3%，每吨航空煤油的使用会产生3吨二氧化碳。为此，欧盟等地区或国家已经要求，航空公司必须在今年之前减少3%的二氧化碳排放，否则将征收“碳税”。在这种背景下，作为零污染、零碳排放的新能源太阳能飞机，无疑让人们看到了曙光。
    太阳能飞机的飞行原理与普通飞机一样，两者的最大区别主要在于动力系统。太阳能飞机的动力装置主要由太阳能电池板、直流电机、调速器、螺旋桨和电力管理设备等组成；对于长航时昼夜飞行的太阳能飞机，还要安装能量储存设备（蓄电池）。
    但是，太阳能飞机动力系统的特殊性也给太阳能飞机的发展带来了不小的瓶颈。
    首先，目前较为成熟的晶体硅和非晶体太阳能电池板的能量利用率还比较低，光电转换率仅为10%～20%。因此，为了获得更多的太阳能，使得飞机具备足够大的升力，铺设在机翼上表面的太阳能板必须做得足够大。和常规的航空燃油发动机动力相比，太阳能电池的动力显然要逊色得多。至今为止，人们研制的太阳能飞机大都仅限于无人机或轻型单人飞机，主要原因就在于此。
    其次，和碳纤维等复合材料相比，太阳能电池板的重量相对较重；晶体硅太阳能电池板的密度大约是玻璃钢航空复合材料密度的1.5倍，但它却非常“娇贵”，设计时人们不能让其兼做飞机的结构而承受载荷。这样一来，作为动力而铺设在机翼表面的巨大太阳能电池板实际上给飞机增添了不小的重量和“负担”。在许多情况下，铺设在机翼上表面的太阳能板的重量甚至可以达到飞机结构重量的一半左右。如果飞机太重，其飞行就会变得困难，于是太阳能飞机的设计通常要求结构尽量减重；然而，既要飞机机翼表面足够大，又要足够轻，在空气动力的作用下机翼结构就极有可能因强度、刚度等问题而遭到破坏。
    第三，为了得到足够的太阳辐射，太阳能飞机通常需要在高空飞行，以避免对流层中云彩、雨雪等对阳光辐射的影响。由飞行原理可知，飞机的升力与飞行高度处空气的密度、飞机机翼面积、飞行速度的平方成正比。高空中，空气密度减少，飞机升力也会减少，这样一来，飞机要正常飞行，就要求其太阳能电池保持充足持续的供电能力，从而让飞机维持较高的飞行速度和升力。
    此外，超薄的太阳能电池还要面临机翼变形、振动、强紫外线照射以及大幅度温度变化等复杂因素导致的破坏的发生。
    凡此种种，并不比生产研制出一架普通飞机简单，因此太阳能飞机要真正满足现代航空运输业的要求，仍然前路漫漫。

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