全太陽能飛艇：新能源浮空器熱起來

5月27日，一架太陽能飛艇在南非試航成功。這架由中國企業與國外科研機構一起研發的飛艇，動力完全來自其背部安裝的太陽能板轉化的電能，是飛艇中的「新能源」成員。

中國科學報記者 袁一雪

在龐大的飛行器家族中，飛艇的存在感並不像飛機那麼強，但是研究飛艇的科研人員依然渴望將新能源應用其中。對於主要在平流層「活動」的飛艇來說，太陽能無疑是最好的選擇。

不過，與飛機不同，飛艇表面少有平面，外形更接近龐大的氣球，飄浮的動力來自氣囊內輕於空氣的氦氣。正是這樣的外形特點，在飛艇身上安裝太陽能電池是個極大的挑戰。

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為全太陽能飛艇CA-21R，屬於該公司的CA系列飛艇產品。「這架飛艇與以往的太陽能飛艇不同，沒有依靠油電混合動力，而是完全利用太陽能供電飛行。」上海達天飛艇製造有限公司董事長助理許璐告訴《中國科學報》記者。

試飛視頻地址：http://v.youku.com/v_show/id_XMTU5MjU1NTI1Ng==.html

太陽能飛艇

在這架全太陽能飛艇之前，不少痴迷於飛艇的研究人員就曾經進行過類似的實驗。2011年，加拿大太陽能飛艇公司研製的太陽能動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力飛艇綜合了飛艇的輕快特性和有翼飛行器的優點，不需要任何道路或軌道。所以，它可以在沒有著陸點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。

加拿大太陽能飛艇概念圖

加拿大太陽能飛艇原理樣機

不過，許璐表示，之前的太陽能飛艇都會和燃油發動機一併混合使用，所以屬於混合動力的太陽能飛艇，但是全太陽能飛艇的全部動力則都來自太陽能電池。

全太陽能飛艇擁有極大的優勢，一直以來，「不論哪種飛艇，其技術的瓶頸都是材料、能源和浮重平衡，但是，全太陽能飛艇的出現有效地解決了其中的後兩項。沒有燃料消耗減少後產生的額外升力，不用擔心越飛越輕，而造成難以操控。」許璐解釋道。

在動力方面，全太陽能飛艇的能源系統構成相對簡單，既有利於對能源的索取和轉換，也能讓太陽能電池構成的飛艇能源系統保證飛艇在高空長期工作。「隨著高度升高，油動機功率都呈下降趨勢，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動機都無法正常工作，但電動機則可以。」許璐表示。而且，因為飛艇採用電機提供動力，維護保障相對簡單，省時省力。

除了上述優勢，全太陽能飛艇在災害救援中也提供了新思路。因為，當自然災害發生時，救援力量如何能夠儘快到達災區，提供應急電力、應急通訊等服務，無疑是一項生死攸關的重要問題。較之比較常見的救援直升機，全太陽能飛艇不僅可以在災情發生後迅速升空，避開損毀的地面道路，快速抵達災區上空，還能利用遍布全身的太陽能電池，為災區提供應急電力、通訊等服務。

而且，因為擁有太陽能持續提供動力，全太陽能飛艇可長時間「站崗」「放哨」，在消防預警與災情偵查、警用反恐等領域發揮優勢。

多項技術決定飛艇發展

如今，全球越來越多的國家在太陽能飛艇的開發研製工作上投入精力，我國也不例外。中國科學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，一個用以模擬真實飛艇上太陽能電池鋪裝的試驗台已經架設完成，試驗台上放置著正在開展試驗的各類柔性太陽能電池。中國科學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《中國科學報》記者，柔性太陽能電池柔軟程度好，但是轉化率偏低，目前一般在10%左右，而普通硬式的太陽能電池板的能量轉化率則能達到20%~30%。另外，部分柔性太陽能電池的柔曲度有限，在鋪裝時如果彎折到一定角度就會損壞。所以，為了節省成本，他們也專門製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。為了讓試驗的模擬度更高，試驗架本身還能夠進行角度的調節，這樣在進行戶外試驗時，科研人員便可實測出不同太陽照射角對應的與太陽能電池轉化率的關係。

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。因為飛艇需要適應平流層惡劣的環境，所以蒙皮由老化層、阻氣層、膠層、織物層等多層材料複合而成，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，就對太陽能電池組件本身進行特定的改進，進而按照實際飛行需要的鋪裝面積與艇體蒙皮連接。「這其中涉及兩個問題：一是在地面遇到的問題，即在地面具體鋪裝過程中可能會因為鋪設面積過大或充氣時艇體變形不均勻造成太陽能電池無法保持平整而損壞，因此需要在實際鋪裝工藝進行深入細緻的研究；二是在空中遇到的問題，即按照能量守恆的原則，太陽能電池在吸收熱量轉換成電能的同時，也會產生大量的『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。」楊燕初解釋道。

如果長時間提供給飛艇動力，就需要大量的太陽能電池提供能量轉換，但實際上，飛艇上可以鋪設太陽能電池的面積極其有限。「軟式飛艇布設太陽能電池只能在飛艇上表層，還必須滿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，而全太陽能飛艇的試飛成功，標誌著飛艇向前跨越了關鍵的一步。「該飛艇高新技術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。

量產尚需時日

不僅在技術上存在障礙，薄膜太陽能高昂的成本也是制約太陽能飛艇發展的因素，以柔性太陽能電池舉例，目前，技術較為成熟可用的柔性太陽能電池成本高達每平方米幾萬元人民幣，而一架大型純電動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。

此次在南非試飛成功的全太陽能飛艇CA-21R屬於試驗品，整體長21米，直徑4.62米，高6.5米，最大時速32公里/小時。「其太陽能面板使用的是半柔性的，實際使用面積12平方米。設計滯空時間24小時，實際飛行時間4個小時。」許璐介紹道。

從視頻中看，太陽能電池的鋪設面積並不大

因為動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，全太陽能飛艇利用儲能電池儲存的能量工作，「這在短時間是可以保證的，但也要考慮存儲電池組容量和重量。太陽能電池的重量與飛艇之間的關係是由飛艇系統的能耗決定的，即太陽能電池的鋪設面積必須滿足飛艇最大的用電量。」許璐說道。

「所以未來太陽能飛艇的發展一方面依賴於太陽能電池技術和儲能電池技術的發展；另一方面，能源管理技術也將是一個研究的重點。」楊燕初表示，「從理論上講，上面提到的能源技術一旦突破，太陽能飛艇將形成自身能源供給的閉環，由此將可以持久地駐留在天空而無須能源補給，但長期駐空所帶來的其他問題會隨之而來，比如氣體泄漏、蒙皮和零部件老化、系統可靠性下降等，這些都會給飛艇這樣一個龐大而複雜的系統帶來隱患，因此要真正實現全太陽能飛艇的實用化和量產還有一系列問題亟待科研工作者進一步研究解決。」

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