太阳能飞行器——空间能源在航空领域的研究趋势.doc

空间能源在航空领域的研究趋势
——太阳能飞机
目前，人类所消耗的能源，绝大部分来自于一次性化石燃料，即石油、煤炭和天然气。从长远观点看，这类能源终有一天会被消耗殆尽。并且，一次性化石燃料使用量增加, 会造成越来越严重的环境污染和温室效应，因此寻找和研发新可再生洁净能源的趋势已成。在地球上面临能源危机和航天航天技术已经获得高度发展的今天，向空间索取新的能源不但是必要的，而且也是可能的。向空间索取能源至少存在两种途径：
一、在空间采集太阳能并以波束的形式传输到地面
太阳能是对人类至关重要的一种能源，太阳辐射总功率为3.82×1023千瓦。在宇宙空间，利用太阳能发电的优点是能充分发挥静止轨道资源的作用，静止轨道每年有99%以上的时间都能接收到太阳光的照射，比地面日照时间要大一倍多，同样面积的太阳能利用率约为地面的5倍。同时在空间微重力环境下，具有构筑大型太阳电池阵或太阳能收集器的良好条件。对于直接从空间采集太阳能，可以采取两种方案。一种方案是建造太阳能发电卫星，即在地球轨道上部署大型太阳能采集器，然后把采集到的太阳能以微波的形式定向传送到地面，地面接收站通过整流天线再把微波能转换成可以利用的电能。另一种方案是在月球表面上安装太阳能采集器，把所采集到的能量送往地面。
二、从地外天体采集核聚变燃料
对于从地外天体获取核聚变燃料，主要是采用月球上的氦-3作为反应堆的燃料。在月球上，通过采用热离子和温差发电机等高效复合能量转换系统，便可直接将核能转变为电能。设想中的月球核能源基地，将包括核燃料供应厂、核发电设施和输电设施。月球上的电力，通过高传输效率的短波长激光束，也就是紫外线区的激光，输送到静止轨道上的能量中继卫星。在中继卫星上，电能被转换成在空气中具有高传输效率波长的激光，然后再传送到位于地球上的接收站，由接收站再将能量分配到各个地区供用户使用。此外，也可将氦-3从月球上开采出来运至地球。据预测，从月球的矿石中提取的氦-3，足以满足整个地球400年能源的需要，用氦-3为原料，核反应堆成本降低一半，而且无污染。为了建立月球核能源基地，有许多工程技术问题，有待人们尽快研究解决。例如超高效能量转换系统、空间用核反应堆、空间机器人、大功率输出的高效激光生成设备、接收设备、激光传输的安全技术等。
本文中着重空间太阳能的利用，在航空领域典型的例子是：太阳能飞机——以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。经典的机型有：“太阳神”号；“天空使者”号；“西风”号；“太阳脉动”号。其中，以瑞士阳光动力公司制造的“阳光动力号”稍为出名。
在中国人的眼中，瑞士闻名世界的是钟表制造业。人们翘大拇指称赞的各色各样的瑞士制造的精美手表，美观准时，价格不菲，照样受人追捧不已。这个印象不错，但不全面。从日内瓦创新论坛上丰富的信息表明，瑞土的科技创新综台水平在欧洲位居第一，多项指标超过德国、英国。例如，全世界航行最快的帆船，人工太阳光台作用的研究，人体神经信息传递的模拟功能的研究等，瑞士的科技界都处于欧洲和世界领先的位置。作为“太阳驱动”项目的技术支撑的洛桑理工学院的技术创新的位置，在欧洲排名第二，世界第32位。
瑞土人不仅在科技创新方面卓有成效，在科学管理上也独树一帜。瑞土的洛桑商学院因每年度公布世界竞争力评价报告而闻名世界。该学院的世界竞争力管理中心，观察受评的国家有58个，采集327个指标（其中2/3是统计指标，1/3是问卷指标），拥有54个世界台作机构的独特网络，与30家国际企业和私人研究机构紧密合作。因而，该学院颁布的评价报告受到各国管理科学界的高度重视。由此可见，世界最大的太阳能飞机出现在瑞士，也是理所当然的。
“太阳驱动” 项目总裁、瑞上探险家安德烈·波希伯格，作为杰出而务实的科技界的代表，冷静地观察到世界能源的主要来源石油、煤炭，被人类使用竭尽是可预见的事情。世界上最丰富的能源—太阳能的利用，有许多颇具挑战性的技术问题需要认真解决。他们选择了太阳能飞机作为目标。
首先，要面临技术路线的选择。目前的硅片转换太阳能的效率，只有20％，据安德烈的介绍，他们有的硅片最好的不过达到22％。“太阳驱动”机翼上装有12万对太阳能电池板因此，要靠太阳能转换来的电能来转动螺旋桨获得开办，整个飞机及其装置必须足够轻。它的机翼长63.4m，相当于波音飞机的翼展，而重量只有1600kg，只有同类燃油飞机重量的五分之一，仅相当于一辆普通小汽车。飞机的主要结构用超轻碳纤维材料制成。为减轻飞机重量，驾驶基本是采用机械操纵，尽可能不使用大量电子设备；甚至连机身的防护都是贴薄膜，不涂油漆。还有重要的一条，要实现环球持续飞行，白天飞行时，还要将多余的太阳能电力储备到高性能蓄电池中，使夜间飞行时有足够的电力续航。
其次，科技创新的社会氛围很好。瑞士经济社会发展水平很高，因而“太阳驱动”项目的研制资金，70％来自社会性的基金会和大企业的赞助。在制造技术们工艺上，要有很强的工业设计能力和加工水平。安德烈风趣地说，他们找了很多家加工制造企业，都回答说，从没做过，难度很大干不了。结果找到那家做世界上航行最快的帆船的企业，对他们说：你们最快的帆船都能做，这创新的太阳能飞机应该也能做。这家企业接受了订单，居然把这架世界上唯一的太阳能飞机做出来了，还飞成功了。可见瑞士的企业科技创新的能力是很强的。
再有，要有坚韧意志和周密计划。“太阳驱动”此次飞行由项目总裁、探险家安德烈·波希伯格驾驶，将连续飞行25h。波希伯格在进入驾驶舱之前说，“太阳驱动”团队为实现昼夜环球飞行，已苦干了整整7年。“太阳驱动”完成了白天有阳光照射条件下的飞行后，于当地时间2010年7月7日6时51分，从瑞士帕耶那机场起飞，开始昼夜试飞。它在海拔8500m高空飞行，边飞边为电瓶充电。傍晚前约2h，当阳光不足时，飞机开始降低高度。夜半时将降低至1500m，夜晚也不“打瞌睡”，靠蓄电池飞行至次日清晨。“太阳驱动”已证明，仅靠太阳能驱动，完成昼夜飞行是可行的。安德烈在演讲时风趣地说：燃油的飞机飞得越高耗油越多，而“太阳驱动”飞机飞得越高获得的太阳能越多。可是夜间飞行，就我一个人驾驶，如果打瞌睡了怎么办？我们设计了一个倾斜定位仪，因瞌睡而飞机倾斜超过5度时，传感器就让蜂鸣器叫起来，我重新将飞机平衡好。看来，在25h里驾驶好这架飞机，真的要具备探险家勇敢的心理素质和科学态度呢。
“太阳驱动”项目发起人、瑞士探险家贝特朗·皮卡尔说，此次试验旨在证明可再生能源和清洁能源技术的潜力，并在越来越广泛的领域里推广、应用和普及。该项目的最终目标是实现36h无燃料连续飞行，现在已实现了目标的大部分。这架世界上最大的太阳能飞机首次进行夜间试飞的成功，标志着人类利用太阳能又进入了新阶段，将要展现广阔的前景。
提高太阳能电池转换效率是太阳能技术突破的关键。这方面的好消息也很鼓舞人心，最新的世界纪录也已产生。2010年10月6日，美国斯派立半导体公司宣布最新研究成果：该公司研发的三结砷化稼（GaAs）太阳电池峰值效率达到了42.3％。据悉，这款电池平台已经可以投入商业使用。

美国维克森林大学的物理学教授戴维·卡诺尔，也取得了吸收太阳能效率大大提高的技术成果。他在构成电池的聚合物基质上加上一层垂直的光纤，作为阳光捕捉装置。这层光纤像粗糙的胡子茬从表面突出。阳光可从任何角度进入光纤顶端，光子在光纤内部弹跳，直至被有机电池吸收。实验发现，光纤大约增加了一半的太阳光吸收，理论上说，效率能超过15%。这使得有机光伏技术能够与硅电池竞争。还有许多这一领域的科学研究与技术开发获得可喜进步。那么，瑞士安德烈的太阳能飞机就将飞得更高更远，能乘坐更多人。
太阳能飞机已有30多年的历史，总体来说还处于试验阶段。作为航空技术和新能源技术相结合的产物，可以从机体平台、能源系统、推进系统三个角度来分析太阳能飞机的技术标准。机体平台。太阳能飞机大多采用了传统气动布局，这些布局已有成熟的分析方法，技术风险低，也有飞机采用新的气动布局。太阳能飞机为了提高气动效率，大多采用大展弦比机翼，尤其是高空长航时太阳能无人机，展弦比都在30左右。为了降低重量，碳纤维、凯芙拉等先进复合材料被大量使用。太阳电池转换效率低、重量大以及储能系统能量密度小等原因，造成了太阳能飞机翼载荷小、载荷能力差、外形尺寸大等不足。对于高空长航时太阳能飞机，大展比带来的气动弹性问题影响了飞机的稳定性和安全性。
目前多数太阳能飞机采用的为转化效率15%~20%的单晶硅太阳电池，部分采用了多晶硅太阳电池。储能器多为能量密度150Wh/kg左右的锂电池，部分太阳能飞机采用了爬高方式储能或能量密度450~600Wh/kg的可再生燃料电池储能。为降低全机重量，能源系统多集成于机体结构中。由于太阳电池价格昂贵、易碎，不能与机体曲面很好贴合，导致太阳能飞机初期投入经费过多，气动效率低。太阳电池低的转换效率也限制了太阳能飞机的性能。储能系统的能量密度和效率太低导致储能系统的重量在全机重量中占有很大的比重，以SoLong飞机为例，锂电池的重量占到了全机重量的44%。
从太阳能飞机的技术特点和相关技术的发展现状来看，太阳能飞机将会有以下发展趋势：
太阳能飞机将采用新布局、新材料和新工艺来提高飞机结构效率和气动效率，降低飞机的重量，减小飞机的尺寸，提高载荷能力。发展新的飞行控制技术，提高飞机的安全性和可靠性。发展小型的太阳能无人机，并向微型太阳能无人机方向努力。能源系统将采用更高效的太阳电池和储能器。单晶硅太阳电池的效率将逐步提高，此外高效柔性薄膜太阳电池可与机体曲面贴合。高能量密度和高效率的储能器技术将大大降低全机重量。
太阳能飞机顺应了当代绿色、环保的要求，具有“永久”飞行的能力。高空长航时太阳能无人机具有重要的民用和军事用途。然而太阳能飞机的实用化还需要相关技术的发展，各国已把高空长航时太阳能无人机列为重要的研究方向，也是我国新世纪航空工业重点发展的一个新领域。