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。這架由中國企業(yè)與國外科研機構一起研發(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那么強，但是研究飛艇的科研人員依然渴望將新能源應用其中。對于主要在平流層“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。

5月27日試飛成功的飛艇，被國內參與設計的公司達天飛艇公司稱(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。”上海達天飛艇制造有限公司董事長(cháng)助理許璐告訴《中國科學(xué)報》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。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(mǎn)了太陽(yáng)能電池板。他們對外宣稱(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(zhù)陸點(diǎn)或飛機跑道的偏遠地區完成醫療急救、野生生物監測、軍事偵察以及運送重型貨物的任務(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，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)能飛艇的出現有效地解決了其中的后兩項。沒(méi)有燃料消耗減少后產(chǎn)生的額外升力，不用擔心越飛越輕，而造成難以操控。”許璐解釋道。

在動(dòng)力方面，全太陽(yáng)能飛艇的能源系統構成相對簡(jiǎn)單，既有利于對能源的索取和轉換，也能讓太陽(yáng)能電池構成的飛艇能源系統保證飛艇在高空長(cháng)期工作。“隨著(zhù)高度升高，油動(dòng)機功率都呈下降趨勢，全太陽(yáng)能艇可有效降低該趨勢。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)機都無(wú)法正常工作，但電動(dòng)機則可以。”許璐表示。而且，因為飛艇采用電機提供動(dòng)力，維護保障相對簡(jiǎn)單，省時(shí)省力。

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

而且，因為擁有太陽(yáng)能持續提供動(dòng)力，全太陽(yáng)能飛艇可長(cháng)時(shí)間“站崗”“放哨”，在消防預警與災情偵查、警用反恐等領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。

多項技術(shù)決定飛艇發(fā)展

如今，全球越來(lái)越多的國家在太陽(yáng)能飛艇的開(kāi)發(fā)研制工作上投入精力，我國也不例外。中國科學(xué)院光電研究院也在開(kāi)展太陽(yáng)能飛艇的研究工作。在該院巨大的艇庫內，一個(gè)用以模擬真實(shí)飛艇上太陽(yáng)能電池鋪裝的試驗臺已經(jīng)架設完成，試驗臺上放置著(zhù)正在開(kāi)展試驗的各類(lèi)柔性太陽(yáng)能電池。中國科學(xué)院光電研究院氣球中心系統總體室副主任楊燕初博士告訴《中國科學(xué)報》記者，柔性太陽(yáng)能電池柔軟程度好，但是轉化率偏低，目前一般在10%左右，而普通硬式的太陽(yáng)能電池板的能量轉化率則能達到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”，用以測試鋪裝的流程和工藝。為了讓試驗的仿真度更高，試驗架本身還能夠進(jìn)行角度的調節，這樣在進(jìn)行戶(hù)外試驗時(shí)，科研人員便可實(shí)測出不同太陽(yáng)照射角對應的與太陽(yáng)能電池轉化率的關(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。因為飛艇需要適應平流層惡劣的環(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 )因為鋪設面積過(guò)大或充氣時(shí)艇體變形不均勻造成太陽(yáng)能電池無(wú)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(cháng)時(shí)間提供給飛艇動(dòng)力，就需要大量的太陽(yáng)能電池提供能量轉換，但實(shí)際上，飛艇上可以鋪設太陽(yáng)能電池的面積極其有限。“軟式飛艇布設太陽(yáng)能電池只能在飛艇上表層，還必須滿(mǎn)足飛艇運行的最大用電量。”許璐表示。

所以，目前能夠上升到平流層高度的演示驗證艇尚在試驗階段，而全太陽(yáng)能飛艇的試飛成功，標志著(zhù)飛艇向前跨越了關(guān)鍵的一步。“該飛艇高新技術(shù)將在對流層飛艇和載重飛艇上首先應用，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屬于試驗品，整體長(cháng)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。設計滯空時(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。

因為動(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)能飛艇利用儲能電池儲存的能量工作，“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)系是由飛艇系統的能耗決定的，即太陽(yáng)能電池的鋪設面積必須滿(mǎn)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)須能源補給，但長(cháng)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、系統可靠性下降等，這些都會(huì )給飛艇這樣一個(gè)龐大而復雜的系統帶來(lái)隱患，因此要真正實(shí)現全太陽(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。”