全太陽(yáng)能飛艇：新能源浮空器熱起來(lái)

5月27日，一架太陽(yáng)能飛艇在南非試航成功。這架由中國(guó)企業(yè)與國(guó)外科研機(jī)構(gòu)一起研發(fā)的飛艇，動(dòng)力完全來(lái)自其背部安裝的太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)化的電能，是飛艇中的“新能源”成員。

郭剛制圖

在龐大的飛行器家族中，飛艇的存在感并不像飛機(jī)那么強(qiáng)，但是研究飛艇的科研人員依然渴望將新能源應(yīng)用其中。對(duì)于主要在平流層“活動(dòng)”的飛艇來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能無(wú)疑是最好的選擇。

不過(guò)，與飛機(jī)不同，飛艇表面少有平面，外形更接近龐大的氣球，飄浮的動(dòng)力來(lái)自氣囊內(nèi)輕于空氣的氦氣。正是這樣的外形特點(diǎn)，在飛艇身上安裝太陽(yáng)能電池是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

5月27日試飛成功的飛艇，被國(guó)內(nèi)參與設(shè)計(jì)的公司達(dá)天飛艇公司稱(chēng)為全太陽(yáng)能飛艇CA-21R，屬于該公司的CA系列飛艇產(chǎn)品。“這架飛艇與以往的太陽(yáng)能飛艇不同，沒(méi)有依靠油電混合動(dòng)力，而是完全利用太陽(yáng)能供電飛行。”上海達(dá)天飛艇制造有限公司董事長(zhǎng)助理許璐告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

太陽(yáng)能飛艇

在這架全太陽(yáng)能飛艇之前，不少癡迷于飛艇的研究人員就曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)。2011年，加拿大太陽(yáng)能飛艇公司研制的太陽(yáng)能動(dòng)力飛艇擁有奇異的三角形外形，其背部鋪滿了太陽(yáng)能電池板。他們對(duì)外宣稱(chēng)這種太陽(yáng)能動(dòng)力飛艇綜合了飛艇的輕快特性和有翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)，不需要任何道路或軌道。所以，它可以在沒(méi)有著陸點(diǎn)或飛機(jī)跑道的偏遠(yuǎn)地區(qū)完成醫(yī)療急救、野生生物監(jiān)測(cè)、軍事偵察以及運(yùn)送重型貨物的任務(wù)。

不過(guò)，許璐表示，之前的太陽(yáng)能飛艇都會(huì)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)一并混合使用，所以屬于混合動(dòng)力的太陽(yáng)能飛艇，但是全太陽(yáng)能飛艇的全部動(dòng)力則都來(lái)自太陽(yáng)能電池。

全太陽(yáng)能飛艇擁有極大的優(yōu)勢(shì)，一直以來(lái)，“不論哪種飛艇，其技術(shù)的瓶頸都是材料、能源和浮重平衡，但是，全太陽(yáng)能飛艇的出現(xiàn)有效地解決了其中的后兩項(xiàng)。沒(méi)有燃料消耗減少后產(chǎn)生的額外升力，不用擔(dān)心越飛越輕，而造成難以操控。”許璐解釋道。

在動(dòng)力方面，全太陽(yáng)能飛艇的能源系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，既有利于對(duì)能源的索取和轉(zhuǎn)換，也能讓太陽(yáng)能電池構(gòu)成的飛艇能源系統(tǒng)保證飛艇在高空長(zhǎng)期工作。“隨著高度升高，油動(dòng)機(jī)功率都呈下降趨勢(shì)，全太陽(yáng)能艇可有效降低該趨勢(shì)。比如在海拔8000米以上，飛艇常用的不添加增壓功能的活塞和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)都無(wú)法正常工作，但電動(dòng)機(jī)則可以。”許璐表示。而且，因?yàn)轱w艇采用電機(jī)提供動(dòng)力，維護(hù)保障相對(duì)簡(jiǎn)單，省時(shí)省力。

除了上述優(yōu)勢(shì)，全太陽(yáng)能飛艇在災(zāi)害救援中也提供了新思路。因?yàn)?，?dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，救援力量如何能夠盡快到達(dá)災(zāi)區(qū)，提供應(yīng)急電力、應(yīng)急通訊等服務(wù)，無(wú)疑是一項(xiàng)生死攸關(guān)的重要問(wèn)題。較之比較常見(jiàn)的救援直升機(jī)，全太陽(yáng)能飛艇不僅可以在災(zāi)情發(fā)生后迅速升空，避開(kāi)損毀的地面道路，快速抵達(dá)災(zāi)區(qū)上空，還能利用遍布全身的太陽(yáng)能電池，為災(zāi)區(qū)提供應(yīng)急電力、通訊等服務(wù)。

而且，因?yàn)閾碛刑?yáng)能持續(xù)提供動(dòng)力，全太陽(yáng)能飛艇可長(zhǎng)時(shí)間“站崗”“放哨”，在消防預(yù)警與災(zāi)情偵查、警用反恐等領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

多項(xiàng)技術(shù)決定飛艇發(fā)展

如今，全球越來(lái)越多的國(guó)家在太陽(yáng)能飛艇的開(kāi)發(fā)研制工作上投入精力，我國(guó)也不例外。中國(guó)科學(xué)院光電研究院也在開(kāi)展太陽(yáng)能飛艇的研究工作。在該院巨大的艇庫(kù)內(nèi)，一個(gè)用以模擬真實(shí)飛艇上太陽(yáng)能電池鋪裝的試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)架設(shè)完成，試驗(yàn)臺(tái)上放置著正在開(kāi)展試驗(yàn)的各類(lèi)柔性太陽(yáng)能電池。中國(guó)科學(xué)院光電研究院氣球中心系統(tǒng)總體室副主任楊燕初博士告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，柔性太陽(yáng)能電池柔軟程度好，但是轉(zhuǎn)化率偏低，目前一般在10%左右，而普通硬式的太陽(yáng)能電池板的能量轉(zhuǎn)化率則能達(dá)到20%~30%。另外，部分柔性太陽(yáng)能電池的柔曲度有限，在鋪裝時(shí)如果彎折到一定角度就會(huì)損壞。所以，為了節(jié)省成本，他們也專(zhuān)門(mén)制作了一些模擬太陽(yáng)能電池板的“假電池板”，用以測(cè)試鋪裝的流程和工藝。為了讓試驗(yàn)的仿真度更高，試驗(yàn)架本身還能夠進(jìn)行角度的調(diào)節(jié)，這樣在進(jìn)行戶(hù)外試驗(yàn)時(shí)，科研人員便可實(shí)測(cè)出不同太陽(yáng)照射角對(duì)應(yīng)的與太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。

除了尋找太陽(yáng)能電池與飛艇的最佳組合方式，科研人員還要解決太陽(yáng)能電池如何安裝在飛艇蒙皮上的問(wèn)題。因?yàn)轱w艇需要適應(yīng)平流層惡劣的環(huán)境，所以蒙皮由老化層、阻氣層、膠層、織物層等多層材料復(fù)合而成，如果想將太陽(yáng)能電池更為有效地安裝在艇體蒙皮外部，就需要在地面時(shí)，就對(duì)太陽(yáng)能電池組件本身進(jìn)行特定的改進(jìn)，進(jìn)而按照實(shí)際飛行需要的鋪裝面積與艇體蒙皮連接。“這其中涉及兩個(gè)問(wèn)題：一是在地面遇到的問(wèn)題，即在地面具體鋪裝過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)殇佋O(shè)面積過(guò)大或充氣時(shí)艇體變形不均勻造成太陽(yáng)能電池?zé)o法保持平整而損壞，因此需要在實(shí)際鋪裝工藝進(jìn)行深入細(xì)致的研究;二是在空中遇到的問(wèn)題，即按照能量守恒的原則，太陽(yáng)能電池在吸收熱量轉(zhuǎn)換成電能的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大量的‘廢熱’，這部分熱量因高空大氣密度稀薄，散熱效率低而無(wú)法快速消散掉，所以將直接傳遞到艇體蒙皮，如不加以控制將對(duì)蒙皮產(chǎn)生損傷，因此需要考慮在太陽(yáng)能電池與蒙皮間直接加裝隔熱層。”楊燕初解釋道。

如果長(zhǎng)時(shí)間提供給飛艇動(dòng)力，就需要大量的太陽(yáng)能電池提供能量轉(zhuǎn)換，但實(shí)際上，飛艇上可以鋪設(shè)太陽(yáng)能電池的面積極其有限。“軟式飛艇布設(shè)太陽(yáng)能電池只能在飛艇上表層，還必須滿足飛艇運(yùn)行的最大用電量。”許璐表示。

所以，目前能夠上升到平流層高度的演示驗(yàn)證艇尚在試驗(yàn)階段，而全太陽(yáng)能飛艇的試飛成功，標(biāo)志著飛艇向前跨越了關(guān)鍵的一步。“該飛艇高新技術(shù)將在對(duì)流層飛艇和載重飛艇上首先應(yīng)用，繼而推向平流層飛艇。”許璐說(shuō)。

量產(chǎn)尚需時(shí)日

不僅在技術(shù)上存在障礙，薄膜太陽(yáng)能高昂的成本也是制約太陽(yáng)能飛艇發(fā)展的因素，以柔性太陽(yáng)能電池舉例，目前，技術(shù)較為成熟可用的柔性太陽(yáng)能電池成本高達(dá)每平方米幾萬(wàn)元人民幣，而一架大型純電動(dòng)飛艇所需的太陽(yáng)能電池往往需要上百平方米甚至上千平方米。

此次在南非試飛成功的全太陽(yáng)能飛艇CA-21R屬于試驗(yàn)品，整體長(zhǎng)21米，直徑4.62米，高6.5米，最大時(shí)速32公里/小時(shí)。“其太陽(yáng)能面板使用的是半柔性的，實(shí)際使用面積12平方米。設(shè)計(jì)滯空時(shí)間24小時(shí)，實(shí)際飛行時(shí)間4個(gè)小時(shí)。”許璐介紹道。

因?yàn)閯?dòng)力全部來(lái)自太陽(yáng)能電池，所以在遭遇惡劣天氣或遇到天黑的情況時(shí)，全太陽(yáng)能飛艇利用儲(chǔ)能電池儲(chǔ)存的能量工作，“這在短時(shí)間是可以保證的，但也要考慮存儲(chǔ)電池組容量和重量。太陽(yáng)能電池的重量與飛艇之間的關(guān)系是由飛艇系統(tǒng)的能耗決定的，即太陽(yáng)能電池的鋪設(shè)面積必須滿足飛艇最大的用電量。”許璐說(shuō)道。

“所以未來(lái)太陽(yáng)能飛艇的發(fā)展一方面依賴(lài)于太陽(yáng)能電池技術(shù)和儲(chǔ)能電池技術(shù)的發(fā)展;另一方面，能源管理技術(shù)也將是一個(gè)研究的重點(diǎn)。”楊燕初表示，“從理論上講，上面提到的能源技術(shù)一旦突破，太陽(yáng)能飛艇將形成自身能源供給的閉環(huán)，由此將可以持久地駐留在天空而無(wú)須能源補(bǔ)給，但長(zhǎng)期駐空所帶來(lái)的其他問(wèn)題會(huì)隨之而來(lái)，比如氣體泄漏、蒙皮和零部件老化、系統(tǒng)可靠性下降等，這些都會(huì)給飛艇這樣一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)帶來(lái)隱患，因此要真正實(shí)現(xiàn)全太陽(yáng)能飛艇的實(shí)用化和量產(chǎn)還有一系列問(wèn)題亟待科研工作者進(jìn)一步研究解決。”