空间科学—迎着太阳升空的飞机

迎着太阳升空的飞机

尹怀勤

在不久前结束的试飞中,美国宇航局“赫利俄斯”太阳能飞机成功升上28．95公里的高空,创下了非火箭驱动飞行器飞行高度的新纪录。这架无人驾驶飞机自首次试飞以来,已经多次升空,并逐步提高飞行升限,终于显示了其独特的性能。由于它的动力完全仰仗太阳来提供,根本不同于其它航空器的动力来源,故其试飞情况引起了人们的兴趣。

“赫利俄斯”得名于古希腊神话中的太阳神,因而这架飞机又被称为太阳神原型号或太阳神号。之所以如此命名,主要意在说明它是利用无污染的可再生的太阳能来进行飞行的,并以此区别于依靠吸空气发动机产生的推力而飞行的航空器。显而易见,这是为飞行器动力装置谋求一种新的途径而进行的开创性尝试工作。

太阳作为距离地球最近的一颗恒星,有人类取之不尽、用之不竭的能源。应用太阳能的方法已有多种,其中之一就是光电转换技术,即通常说的太阳电池。其原理就是将太阳光照射的能量通过半导体转换成电动势能,在外部接上负载就可输出电能。这种方法在航天器电源系统上早已应用,如各种应用卫星和空间站上的太阳能电池板,而在航空器上作为动力能源装置才刚刚处于试验阶段。太阳神号飞机的升空,就是利用该方法获取飞行动力的一种有效尝试。太阳神号飞机造价为1500万美元的太阳神号飞机,由美国宇航局与加利福尼亚州蒙罗维亚的航空环境公司合作研制。其结构特点是前后短而两侧长,从机头到机尾仅长2．4米,但两个机翼张开后却长达75米,根本不像一般的飞机,外形更像一只庞大的风筝。两侧单翼翼展比波音747客机的两翅还要大,速度却不及后者。不难想象,它是名副其实的巨型飞机。

整个太阳神号飞机主要用碳纤材料制成,总重仅为700千克,比现有实用飞机都要轻得多。为了在空中能够获得尽可能多的能量,飞机两个机翼上安装着6．5万个透明的单晶太阳能电池。这些太阳能电池价值1000万美元,占整机费用的三分之二。全部太阳能电池工作时最高可产生40千瓦电力,足够推动总功率约10千瓦的14个电动机同时工作。每个电动机带动1个螺旋桨,结果使机上14个螺旋桨不停地转动。这些螺旋桨有序排列地装置在两个机翼的前端,转动时将空气向后压缩,从而产生推力牵引飞机向前运动。

鉴于太阳神号飞机晚上仍需飞行,而太阳电池只能在阳光照射下才能发电,故在飞机上还安装了必需的蓄电池,其容量能够保证夜间飞行的需要。这样就确保了飞机不分昼夜照样飞行。因为飞机正常飞行时已处于云层之上,故天气条件对其获取太阳能的情况不会产生影响。但闪电天气将影响对飞机的监测和观察,会给遥控带来不便。如果机体机械强度和电源装置系统不出现问题,飞机就可长期飞行下去。假若某部件发生故障,待飞机返回地面加以修复后仍可重新上天。

2001年7月15日,太阳神号飞机从夏威夷卡瓦伊岛美国海军导弹基地一跃而起,飞向太平洋上空,进行了首次试飞。此次飞行,是由两名地面人员通过计算机发出遥控指令进行的。它的起飞速度与自行车相仿,待升高到22．8公里的高空翱翔时,以每小时30至50公里的巡航速度飞行。在空中飞翔10多个小时后,成功地返回了地面,圆满完成了首飞任务。

2001年8月12日,太阳神号飞机再次起飞,经过5小时16分的飞行,达到海拔24．72公里的高度。这一新的高度超出了螺旋桨飞机24．45公里的飞行高度纪录。这给研制者们以新的鼓舞,并加快了试飞步伐。

2001年8月13日下午,太阳神号飞机第三次升空,约于5小时后抵达此次飞行最高点28．95公里。14日凌晨,飞机回归地面。这次飞行达到了试飞以来的最大高度,打破了除火箭外的飞行器所创造的25．93公里的飞行高度纪录。尽管如此,但尚未达到本次飞行试验的目标高度30．48公里。随着此次飞行落下帷幕也就宣告了这一阶段试验飞行的结束。从理论上讲,太阳神号飞机可以飞到31．39公里的高空,时速可达360公里,但这只能留待以后的飞行实践去证明了。广阔的用途作为新型飞机中的先锋,太阳神号经过试飞改进一旦获得全面成功,将有广阔的发展前途和应用前景。其一,它可成为局部地区的低成本的电信中转平台。因它能在同一位置以缓慢的速度盘恒数月,且可随时降落加以维修和变更有效载荷,故可向信号覆盖地区提供电信和电视服务。作为该地区的通信卫星使用。其二,它可用作局部地区的观测卫星。它既可观测视线及地区的气象变化和自然灾害,又能监视相应地区的渔业、森林等资源的开发情况,甚至能估计农作物的产量和预报其收割时间,是局部地区的理想的空中观测台。其三,它可用作军事侦察工具。它的14个螺旋桨转动起来响声很小,每个消耗的能量同1个标准的吹风机差不多,加之飞行高度很高,是喷气飞机飞行高度的2~3倍,雷达不易发现,又可长时间地盘旋于军事要害地区上空,故能作为无人侦察飞机使用。

更为可贵的是,科学家打算最终让太阳能飞机在其它行星上空如火星上空飞行,执行科学考察任务。不用说,这是在太阳神号飞机基础上的改进型。因为它要靠太阳能电池启动螺旋桨转动压缩空气产生推动,所以在没有空气的大气中是无法飞行的。同时,它的速度也达不到冲出地球引力的程度,必须用航天器将其运送到有大气层的行星上空才能达到目的。为此,太阳能飞机必须制做成折叠状态,待航天器到达目的地后,再将其释放,然后展开机翼,在地面控制中心遥控指令下开始执行飞行任务。由于它在被考察的行星上空飞行的高度,远远低于行星探测器运行轨道的高度,故而它拍摄的照片分辨率将会更高,探测的数据资料也会更为准确。