1、空間能源在航空領(lǐng)域的研究趨勢 太陽能飛機(jī)目前，人類所消耗的能源，絕大部分來自于一次性化石燃料，即石油、煤炭和天然氣。從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，這類能源終有一天會被消耗殆盡。并且，一次性化石燃料使用量增加, 會造成越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，因此尋找和研發(fā)新可再生潔凈能源的趨勢已成。在地球上面臨能源危機(jī)和航天航天技術(shù)已經(jīng)獲得高度發(fā)展的今天，向空間索取新的能源不但是必要的，而且也是可能的。向空間索取能源至少存在兩種途徑：一、在空間采集太陽能并以波束的形式傳輸?shù)降孛嫣柲苁菍θ祟愔陵P(guān)重要的一種能源，太陽輻射總功率為3.82×1023千瓦。在宇宙空間，利用太陽能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是能充分發(fā)揮靜止軌道資源的作

2、用，靜止軌道每年有99%以上的時(shí)間都能接收到太陽光的照射，比地面日照時(shí)間要大一倍多，同樣面積的太陽能利用率約為地面的5倍。同時(shí)在空間微重力環(huán)境下，具有構(gòu)筑大型太陽電池陣或太陽能收集器的良好條件。對于直接從空間采集太陽能，可以采取兩種方案。一種方案是建造太陽能發(fā)電衛(wèi)星，即在地球軌道上部署大型太陽能采集器，然后把采集到的太陽能以微波的形式定向傳送到地面，地面接收站通過整流天線再把微波能轉(zhuǎn)換成可以利用的電能。另一種方案是在月球表面上安裝太陽能采集器，把所采集到的能量送往地面。二、從地外天體采集核聚變?nèi)剂蠈τ趶牡赝馓祗w獲取核聚變?nèi)剂希饕遣捎迷虑蛏系暮?3作為反應(yīng)堆的燃料。在月球上，通過采用熱離子和

3、溫差發(fā)電機(jī)等高效復(fù)合能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，便可直接將核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。設(shè)想中的月球核能源基地，將包括核燃料供應(yīng)廠、核發(fā)電設(shè)施和輸電設(shè)施。月球上的電力，通過高傳輸效率的短波長激光束，也就是紫外線區(qū)的激光，輸送到靜止軌道上的能量中繼衛(wèi)星。在中繼衛(wèi)星上，電能被轉(zhuǎn)換成在空氣中具有高傳輸效率波長的激光，然后再傳送到位于地球上的接收站，由接收站再將能量分配到各個(gè)地區(qū)供用戶使用。此外，也可將氦-3從月球上開采出來運(yùn)至地球。據(jù)預(yù)測，從月球的礦石中提取的氦-3，足以滿足整個(gè)地球400年能源的需要，用氦-3為原料，核反應(yīng)堆成本降低一半，而且無污染。為了建立月球核能源基地，有許多工程技術(shù)問題，有待人們盡快研究解決。例如超高效

4、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、空間用核反應(yīng)堆、空間機(jī)器人、大功率輸出的高效激光生成設(shè)備、接收設(shè)備、激光傳輸?shù)陌踩夹g(shù)等。本文中著重空間太陽能的利用，在航空領(lǐng)域典型的例子是：太陽能飛機(jī)以太陽輻射作為推進(jìn)能源的飛機(jī)。太陽能飛機(jī)的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機(jī)、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。經(jīng)典的機(jī)型有：“太陽神”號；“天空使者”號；“西風(fēng)”號；“太陽脈動”號。其中，以瑞士陽光動力公司制造的“陽光動力號”稍為出名。在中國人的眼中，瑞士聞名世界的是鐘表制造業(yè)。人們翹大拇指稱贊的各色各樣的瑞士制造的精美手表，美觀準(zhǔn)時(shí)，價(jià)格不菲，照樣受人追捧不已。這個(gè)印象不錯(cuò)，但不全面。從日內(nèi)瓦創(chuàng)新論壇上豐富的信息表明，瑞土的科技創(chuàng)

5、新綜臺水平在歐洲位居第一，多項(xiàng)指標(biāo)超過德國、英國。例如，全世界航行最快的帆船，人工太陽光臺作用的研究，人體神經(jīng)信息傳遞的模擬功能的研究等，瑞士的科技界都處于歐洲和世界領(lǐng)先的位置。作為“太陽驅(qū)動”項(xiàng)目的技術(shù)支撐的洛桑理工學(xué)院的技術(shù)創(chuàng)新的位置，在歐洲排名第二，世界第32位。瑞土人不僅在科技創(chuàng)新方面卓有成效，在科學(xué)管理上也獨(dú)樹一幟。瑞土的洛桑商學(xué)院因每年度公布世界競爭力評價(jià)報(bào)告而聞名世界。該學(xué)院的世界競爭力管理中心，觀察受評的國家有58個(gè)，采集327個(gè)指標(biāo)（其中2/3是統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，1/3是問卷指標(biāo)），擁有54個(gè)世界臺作機(jī)構(gòu)的獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)，與30家國際企業(yè)和私人研究機(jī)構(gòu)緊密合作。因而，該學(xué)院頒布的評價(jià)報(bào)告受

6、到各國管理科學(xué)界的高度重視。由此可見，世界最大的太陽能飛機(jī)出現(xiàn)在瑞士，也是理所當(dāng)然的?！疤栻?qū)動” 項(xiàng)目總裁、瑞上探險(xiǎn)家安德烈·波希伯格，作為杰出而務(wù)實(shí)的科技界的代表，冷靜地觀察到世界能源的主要來源石油、煤炭，被人類使用竭盡是可預(yù)見的事情。世界上最豐富的能源太陽能的利用，有許多頗具挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題需要認(rèn)真解決。他們選擇了太陽能飛機(jī)作為目標(biāo)。首先，要面臨技術(shù)路線的選擇。目前的硅片轉(zhuǎn)換太陽能的效率，只有20，據(jù)安德烈的介紹，他們有的硅片最好的不過達(dá)到22?！疤栻?qū)動”機(jī)翼上裝有12萬對太陽能電池板。因此，要靠太陽能轉(zhuǎn)換來的電能來轉(zhuǎn)動螺旋槳獲得開辦，整個(gè)飛機(jī)及其裝置必須足夠輕。它的機(jī)翼長6

7、3.4m，相當(dāng)于波音飛機(jī)的翼展，而重量只有1600kg，只有同類燃油飛機(jī)重量的五分之一，僅相當(dāng)于一輛普通小汽車。飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)用超輕碳纖維材料制成。為減輕飛機(jī)重量，駕駛基本是采用機(jī)械操縱，盡可能不使用大量電子設(shè)備；甚至連機(jī)身的防護(hù)都是貼薄膜，不涂油漆。還有重要的一條，要實(shí)現(xiàn)環(huán)球持續(xù)飛行，白天飛行時(shí)，還要將多余的太陽能電力儲備到高性能蓄電池中，使夜間飛行時(shí)有足夠的電力續(xù)航。其次，科技創(chuàng)新的社會氛圍很好。瑞士經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平很高，因而“太陽驅(qū)動”項(xiàng)目的研制資金，70來自社會性的基金會和大企業(yè)的贊助。在制造技術(shù)們工藝上，要有很強(qiáng)的工業(yè)設(shè)計(jì)能力和加工水平。安德烈風(fēng)趣地說，他們找了很多家加工制造企業(yè)，都

8、回答說，從沒做過，難度很大干不了。結(jié)果找到那家做世界上航行最快的帆船的企業(yè)，對他們說：你們最快的帆船都能做，這創(chuàng)新的太陽能飛機(jī)應(yīng)該也能做。這家企業(yè)接受了訂單，居然把這架世界上唯一的太陽能飛機(jī)做出來了，還飛成功了。可見瑞士的企業(yè)科技創(chuàng)新的能力是很強(qiáng)的。再有，要有堅(jiān)韌意志和周密計(jì)劃?！疤栻?qū)動”此次飛行由項(xiàng)目總裁、探險(xiǎn)家安德烈·波希伯格駕駛，將連續(xù)飛行25h。波希伯格在進(jìn)入駕駛艙之前說，“太陽驅(qū)動”團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)晝夜環(huán)球飛行，已苦干了整整7年?！疤栻?qū)動”完成了白天有陽光照射條件下的飛行后，于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年7月7日6時(shí)51分，從瑞士帕耶那機(jī)場起飛，開始晝夜試飛。它在海拔8500m高空飛行

9、，邊飛邊為電瓶充電。傍晚前約2h，當(dāng)陽光不足時(shí)，飛機(jī)開始降低高度。夜半時(shí)將降低至1500m，夜晚也不“打瞌睡”，靠蓄電池飛行至次日清晨。“太陽驅(qū)動”已證明，僅靠太陽能驅(qū)動，完成晝夜飛行是可行的。安德烈在演講時(shí)風(fēng)趣地說：燃油的飛機(jī)飛得越高耗油越多，而“太陽驅(qū)動”飛機(jī)飛得越高獲得的太陽能越多。可是夜間飛行，就我一個(gè)人駕駛，如果打瞌睡了怎么辦？我們設(shè)計(jì)了一個(gè)傾斜定位儀，因瞌睡而飛機(jī)傾斜超過5度時(shí)，傳感器就讓蜂鳴器叫起來，我重新將飛機(jī)平衡好?？磥?，在25h里駕駛好這架飛機(jī)，真的要具備探險(xiǎn)家勇敢的心理素質(zhì)和科學(xué)態(tài)度呢。 “太陽驅(qū)動”項(xiàng)目發(fā)起人、瑞士探險(xiǎn)家貝特朗·皮卡爾說，此次試驗(yàn)旨在證明可再生

10、能源和清潔能源技術(shù)的潛力，并在越來越廣泛的領(lǐng)域里推廣、應(yīng)用和普及。該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)36h無燃料連續(xù)飛行，現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的大部分。這架世界上最大的太陽能飛機(jī)首次進(jìn)行夜間試飛的成功，標(biāo)志著人類利用太陽能又進(jìn)入了新階段，將要展現(xiàn)廣闊的前景。提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是太陽能技術(shù)突破的關(guān)鍵。這方面的好消息也很鼓舞人心，最新的世界紀(jì)錄也已產(chǎn)生。2010年10月6日，美國斯派立半導(dǎo)體公司宣布最新研究成果：該公司研發(fā)的三結(jié)砷化稼（GaAs）太陽電池峰值效率達(dá)到了42.3。據(jù)悉，這款電池平臺已經(jīng)可以投入商業(yè)使用。美國維克森林大學(xué)的物理學(xué)教授戴維·卡諾爾，也取得了吸收太陽能效率大大提高的技術(shù)成果。

11、他在構(gòu)成電池的聚合物基質(zhì)上加上一層垂直的光纖，作為陽光捕捉裝置。這層光纖像粗糙的胡子茬從表面突出。陽光可從任何角度進(jìn)入光纖頂端，光子在光纖內(nèi)部彈跳，直至被有機(jī)電池吸收。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光纖大約增加了一半的太陽光吸收，理論上說，效率能超過15%。這使得有機(jī)光伏技術(shù)能夠與硅電池競爭。還有許多這一領(lǐng)域的科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)獲得可喜進(jìn)步。那么，瑞士安德烈的太陽能飛機(jī)就將飛得更高更遠(yuǎn)，能乘坐更多人。太陽能飛機(jī)已有30多年的歷史，總體來說還處于試驗(yàn)階段。作為航空技術(shù)和新能源技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可以從機(jī)體平臺、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)三個(gè)角度來分析太陽能飛機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)體平臺。太陽能飛機(jī)大多采用了傳統(tǒng)氣動布局，這些布局已

12、有成熟的分析方法，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，也有飛機(jī)采用新的氣動布局。太陽能飛機(jī)為了提高氣動效率，大多采用大展弦比機(jī)翼，尤其是高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)，展弦比都在30左右。為了降低重量，碳纖維、凱芙拉等先進(jìn)復(fù)合材料被大量使用。太陽電池轉(zhuǎn)換效率低、重量大以及儲能系統(tǒng)能量密度小等原因，造成了太陽能飛機(jī)翼載荷小、載荷能力差、外形尺寸大等不足。對于高空長航時(shí)太陽能飛機(jī)，大展比帶來的氣動彈性問題影響了飛機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。目前多數(shù)太陽能飛機(jī)采用的為轉(zhuǎn)化效率15%20%的單晶硅太陽電池，部分采用了多晶硅太陽電池。儲能器多為能量密度150Wh/kg左右的鋰電池，部分太陽能飛機(jī)采用了爬高方式儲能或能量密度450600Wh/k

13、g的可再生燃料電池儲能。為降低全機(jī)重量，能源系統(tǒng)多集成于機(jī)體結(jié)構(gòu)中。由于太陽電池價(jià)格昂貴、易碎，不能與機(jī)體曲面很好貼合，導(dǎo)致太陽能飛機(jī)初期投入經(jīng)費(fèi)過多，氣動效率低。太陽電池低的轉(zhuǎn)換效率也限制了太陽能飛機(jī)的性能。儲能系統(tǒng)的能量密度和效率太低導(dǎo)致儲能系統(tǒng)的重量在全機(jī)重量中占有很大的比重，以SoLong飛機(jī)為例，鋰電池的重量占到了全機(jī)重量的44%。從太陽能飛機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，太陽能飛機(jī)將會有以下發(fā)展趨勢：太陽能飛機(jī)將采用新布局、新材料和新工藝來提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率和氣動效率，降低飛機(jī)的重量，減小飛機(jī)的尺寸，提高載荷能力。發(fā)展新的飛行控制技術(shù)，提高飛機(jī)的安全性和可靠性。發(fā)展小型的太陽能無人機(jī)，并向微型太陽能無人機(jī)方向努力。