全太阳能飞艇：新能源浮空器热起来

5月27日，一架太阳能飞艇在南非试航成功。这架由中国企业与国外科研机构一起研发的飞艇，动力完全来自其背部安装的太阳能板转化的电能，是飞艇中的“新能源”成员。

郭刚制图

在庞大的飞行器家族中，飞艇的存在感并不像飞机那么强，但是研究飞艇的科研人员依然渴望将新能源应用其中。对于主要在平流层“活动”的飞艇来说，太阳能无疑是最好的选择。

不过，与飞机不同，飞艇表面少有平面，外形更接近庞大的气球，飘浮的动力来自气囊内轻于空气的氦气。正是这样的外形特点，在飞艇身上安装太阳能电池是个极大的挑战。

5月27日试飞成功的飞艇，被国内参与设计的公司达天飞艇公司称为全太阳能飞艇CA-21R，属于该公司的CA系列飞艇产品。“这架飞艇与以往的太阳能飞艇不同，没有依靠油电混合动力，而是完全利用太阳能供电飞行。”上海达天飞艇制造有限公司董事长助理许璐告诉《中国科学报》记者。

太阳能飞艇

在这架全太阳能飞艇之前，不少痴迷于飞艇的研究人员就曾经进行过类似的实验。2011年，加拿大太阳能飞艇公司研制的太阳能动力飞艇拥有奇异的三角形外形，其背部铺满了太阳能电池板。他们对外宣称这种太阳能动力飞艇综合了飞艇的轻快特性和有翼飞行器的优点，不需要任何道路或轨道。所以，它可以在没有着陆点或飞机跑道的偏远地区完成医疗急救、野生生物监测、军事侦察以及运送重型货物的任务。

不过，许璐表示，之前的太阳能飞艇都会和燃油发动机一并混合使用，所以属于混合动力的太阳能飞艇，但是全太阳能飞艇的全部动力则都来自太阳能电池。

全太阳能飞艇拥有极大的优势，一直以来，“不论哪种飞艇，其技术的瓶颈都是材料、能源和浮重平衡，但是，全太阳能飞艇的出现有效地解决了其中的后两项。没有燃料消耗减少后产生的额外升力，不用担心越飞越轻，而造成难以操控。”许璐解释道。

在动力方面，全太阳能飞艇的能源系统构成相对简单，既有利于对能源的索取和转换，也能让太阳能电池构成的飞艇能源系统保证飞艇在高空长期工作。“随着高度升高，油动机功率都呈下降趋势，全太阳能艇可有效降低该趋势。比如在海拔8000米以上，飞艇常用的不添加增压功能的活塞和涡桨发动机都无法正常工作，但电动机则可以。”许璐表示。而且，因为飞艇采用电机提供动力，维护保障相对简单，省时省力。

除了上述优势，全太阳能飞艇在灾害救援中也提供了新思路。因为，当自然灾害发生时，救援力量如何能够尽快到达灾区，提供应急电力、应急通讯等服务，无疑是一项生死攸关的重要问题。较之比较常见的救援直升机，全太阳能飞艇不仅可以在灾情发生后迅速升空，避开损毁的地面道路，快速抵达灾区上空，还能利用遍布全身的太阳能电池，为灾区提供应急电力、通讯等服务。

而且，因为拥有太阳能持续提供动力，全太阳能飞艇可长时间“站岗”“放哨”，在消防预警与灾情侦查、警用反恐等领域发挥优势。

多项技术决定飞艇发展

如今，全球越来越多的国家在太阳能飞艇的开发研制工作上投入精力，我国也不例外。中国科学院光电研究院也在开展太阳能飞艇的研究工作。在该院巨大的艇库内，一个用以模拟真实飞艇上太阳能电池铺装的试验台已经架设完成，试验台上放置着正在开展试验的各类柔性太阳能电池。中国科学院光电研究院气球中心系统总体室副主任杨燕初博士告诉《中国科学报》记者，柔性太阳能电池柔软程度好，但是转化率偏低，目前一般在10%左右，而普通硬式的太阳能电池板的能量转化率则能达到20%~30%。另外，部分柔性太阳能电池的柔曲度有限，在铺装时如果弯折到一定角度就会损坏。所以，为了节省成本，他们也专门制作了一些模拟太阳能电池板的“假电池板”，用以测试铺装的流程和工艺。为了让试验的仿真度更高，试验架本身还能够进行角度的调节，这样在进行户外试验时，科研人员便可实测出不同太阳照射角对应的与太阳能电池转化率的关系。

除了寻找太阳能电池与飞艇的最佳组合方式，科研人员还要解决太阳能电池如何安装在飞艇蒙皮上的问题。因为飞艇需要适应平流层恶劣的环境，所以蒙皮由老化层、阻气层、胶层、织物层等多层材料复合而成，如果想将太阳能电池更为有效地安装在艇体蒙皮外部，就需要在地面时，就对太阳能电池组件本身进行特定的改进，进而按照实际飞行需要的铺装面积与艇体蒙皮连接。“这其中涉及两个问题：一是在地面遇到的问题，即在地面具体铺装过程中可能会因为铺设面积过大或充气时艇体变形不均匀造成太阳能电池无法保持平整而损坏，因此需要在实际铺装工艺进行深入细致的研究;二是在空中遇到的问题，即按照能量守恒的原则，太阳能电池在吸收热量转换成电能的同时，也会产生大量的‘废热’，这部分热量因高空大气密度稀薄，散热效率低而无法快速消散掉，所以将直接传递到艇体蒙皮，如不加以控制将对蒙皮产生损伤，因此需要考虑在太阳能电池与蒙皮间直接加装隔热层。”杨燕初解释道。

如果长时间提供给飞艇动力，就需要大量的太阳能电池提供能量转换，但实际上，飞艇上可以铺设太阳能电池的面积极其有限。“软式飞艇布设太阳能电池只能在飞艇上表层，还必须满足飞艇运行的最大用电量。”许璐表示。

所以，目前能够上升到平流层高度的演示验证艇尚在试验阶段，而全太阳能飞艇的试飞成功，标志着飞艇向前跨越了关键的一步。“该飞艇高新技术将在对流层飞艇和载重飞艇上首先应用，继而推向平流层飞艇。”许璐说。

量产尚需时日

不仅在技术上存在障碍，薄膜太阳能高昂的成本也是制约太阳能飞艇发展的因素，以柔性太阳能电池举例，目前，技术较为成熟可用的柔性太阳能电池成本高达每平方米几万元人民币，而一架大型纯电动飞艇所需的太阳能电池往往需要上百平方米甚至上千平方米。

此次在南非试飞成功的全太阳能飞艇CA-21R属于试验品，整体长21米，直径4.62米，高6.5米，最大时速32公里/小时。“其太阳能面板使用的是半柔性的，实际使用面积12平方米。设计滞空时间24小时，实际飞行时间4个小时。”许璐介绍道。

因为动力全部来自太阳能电池，所以在遭遇恶劣天气或遇到天黑的情况时，全太阳能飞艇利用储能电池储存的能量工作，“这在短时间是可以保证的，但也要考虑存储电池组容量和重量。太阳能电池的重量与飞艇之间的关系是由飞艇系统的能耗决定的，即太阳能电池的铺设面积必须满足飞艇最大的用电量。”许璐说道。

“所以未来太阳能飞艇的发展一方面依赖于太阳能电池技术和储能电池技术的发展;另一方面，能源管理技术也将是一个研究的重点。”杨燕初表示，“从理论上讲，上面提到的能源技术一旦突破，太阳能飞艇将形成自身能源供给的闭环，由此将可以持久地驻留在天空而无须能源补给，但长期驻空所带来的其他问题会随之而来，比如气体泄漏、蒙皮和零部件老化、系统可靠性下降等，这些都会给飞艇这样一个庞大而复杂的系统带来隐患，因此要真正实现全太阳能飞艇的实用化和量产还有一系列问题亟待科研工作者进一步研究解决。”