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2016年5月27日，一架太陽能飛艇在南非試航成功。這架由中國企業(yè)達(dá)天飛艇公司作為設(shè)計(jì)及制造商，與挪威、英國、法國、美國、南非、德國、日本等國家科技人員合作。動(dòng)力完全來自其背部安裝的太陽能板轉(zhuǎn)化的電能，是飛艇中的“新能源”成員。

中國企業(yè)研發(fā)全球首架試飛成功

2016年5月27日，一架太陽能飛艇在南非試航成功。這架由中國企業(yè)達(dá)天飛艇公司作為設(shè)計(jì)及制造商，與挪威、英國、法國、美國、南非、德國、日本等國家科技人員合作。動(dòng)力完全來自其背部安裝的太陽能板轉(zhuǎn)化的電能，是飛艇中的“新能源”成員。

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。對于主要在平流層“活動(dòng)”的飛艇來說，太陽能無疑是最好的選擇。

不過，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，被國內(nèi)參與設(shè)計(jì)的公司達(dá)天飛艇公司稱為全太陽能飛艇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能飛艇不同，沒有依靠油電混合動(dòng)力，而是完全利用太陽能供電飛行。”

在這架全太陽能飛艇之前，不少癡迷于飛艇的研究人員就曾經(jīng)進(jìn)行過類似的實(shí)驗(yàn)。2011年，加拿大太陽能飛艇公司研制的太陽能動(dòng)力飛艇擁有奇異的三角形外形，其背部鋪滿了太陽能電池板。他們對外宣稱這種太陽能動(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，它可以在沒有著陸點(diǎn)，不需要任何道路或軌道。所以，它可以在沒有著陸點(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、軍事偵察以及運(yùn)送重型貨物的任務(wù)。

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

全太陽能飛艇擁有極大的優(yōu)勢，一直以來，“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，全太陽能飛艇的出現(xiàn)有效地解決了其中的后兩項(xiàng)。沒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。”

在動(dòng)力方面，全太陽能飛艇的能源系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，既有利于對能源的索取和轉(zhuǎn)換，也能讓太陽能電池構(gòu)成的飛艇能源系統(tǒng)保證飛艇在高空長期工作。“隨著高度升高，油動(dòng)機(jī)功率都呈下降趨勢，全太陽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(jī)都無法正常工作，但電動(dòng)機(jī)則可以。”因?yàn)轱w艇采用電機(jī)提供動(dòng)力，維護(hù)保障相對簡單，省時(shí)省力。

除了上述優(yōu)勢，全太陽能飛艇在災(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)，無疑是一項(xiàng)生死攸關(guān)的重要問題。較之比較常見的救援直升機(jī)，全太陽能飛艇不僅可以在災(zāi)情發(fā)生后迅速升空，避開損毀的地面道路，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柲艹掷m(xù)提供動(dòng)力，全太陽能飛艇可長時(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。

綜合來看，全太陽能飛艇具有升空高度高、續(xù)航時(shí)間長、用途廣泛、生存力強(qiáng)、可重復(fù)使用、使用維護(hù)成本低等特點(diǎn)，可搭載任務(wù)系統(tǒng)，執(zhí)行高分辨率對地觀測等多種任務(wù)，在國家軍事和經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面應(yīng)用價(jià)值很高。

多項(xiàng)技術(shù)決定飛艇發(fā)展

由于具有高經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等特點(diǎn)，全球越來越多的國家在太陽能飛艇的開發(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展太陽能飛艇的研究工作。在該院巨大的艇庫內(nèi)，一個(gè)用以模擬真實(shí)飛艇上太陽能電池鋪裝的試驗(yàn)臺已經(jīng)架設(shè)完成，試驗(yàn)臺上放置著正在開展試驗(yàn)的各類柔性太陽能電池。柔性太陽能電池柔軟程度好，但是轉(zhuǎn)化率偏低，一般在10%左右，而普通硬式的太陽能電池板的能量轉(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，他們也專門制作了一些模擬太陽能電池板的“假電池板”，用以測試鋪裝的流程和工藝。為了讓試驗(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)行戶外試驗(yàn)時(shí)，科研人員便可實(shí)測出不同太陽照射角對應(yīng)的與太陽能電池轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。

除了尋找太陽能電池與飛艇的最佳組合方式，科研人員還要解決太陽能電池如何安裝在飛艇蒙皮上的問題。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)問題：一是在地面遇到的問題，即在地面具體鋪裝過程中可能會(huì)因?yàn)殇佋O(shè)面積過大或充氣時(shí)艇體變形不均勻造成太陽能電池?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題，即按照能量守恒的原則，太陽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能電池與蒙皮間直接加裝隔熱層。

如果長時(shí)間提供給飛艇動(dòng)力，就需要大量的太陽能電池提供能量轉(zhuǎn)換，但實(shí)際上，飛艇上可以鋪設(shè)太陽能電池的面積極其有限。“軟式飛艇布設(shè)太陽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。

所以，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)將在對流層飛艇和載重飛艇上首先應(yīng)用，繼而推向平流層飛艇。

量產(chǎn)尚需時(shí)日

不僅在技術(shù)上存在障礙，薄膜太陽能高昂的成本也是制約太陽能飛艇發(fā)展的因素，以柔性太陽能電池舉例，技術(shù)較為成熟可用的柔性太陽能電池成本高達(dá)每平方米幾萬元人民幣，而一架大型純電動(dòng)飛艇所需的太陽能電池往往需要上百平方米甚至上千平方米。

在南非試飛成功的全太陽能飛艇CA-21R屬于試驗(yàn)品，整體長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)。”

因?yàn)閯?dòng)力全部來自太陽能電池，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，即太陽能電池的鋪設(shè)面積必須滿足飛艇最大的用電量。

“所以未來太陽能飛艇的發(fā)展一方面依賴于太陽能電池技術(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須能源補(bǔ)給，但長期駐空所帶來的其他問題會(huì)隨之而來，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)帶來隱患，因此要真正實(shí)現(xiàn)全太陽能飛艇的實(shí)用化和量產(chǎn)還有一系列問題亟待科研工作者進(jìn)一步研究解決。 

原標(biāo)題：全太陽能飛艇