中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院研制的太陽(yáng)能無(wú)人驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。
當(dāng)斯普特尼克1號(hào)(Sputnik 1)在1957年進(jìn)入低地球軌道的時(shí)候,其遠(yuǎn)比美國(guó)的太空計(jì)劃進(jìn)展得順利,也曾一度讓美國(guó)驚恐不已,甚至連學(xué)校的學(xué)生都隨時(shí)準(zhǔn)備躲到桌子底下去。斯普特尼 克1號(hào)的成功發(fā)射意味著衛(wèi)星時(shí)代的來(lái)臨,這也徹底改變了通訊行業(yè)、導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展以及人們觀看足球比賽的方式。
然而,衛(wèi)星的造價(jià)太高昂,且發(fā)射成本很高;一旦衛(wèi)星發(fā)射到軌道上,想要進(jìn)行升級(jí)和更新無(wú)異于癡人說(shuō)夢(mèng)。與之相反,無(wú)人機(jī)則在這方面具有巨大的優(yōu)勢(shì):無(wú)人機(jī)造價(jià)相對(duì)便宜,發(fā)射過程也非常簡(jiǎn)單,更新升級(jí)也非常輕松。當(dāng)然,無(wú)人機(jī)也有很大的缺點(diǎn),那就是無(wú)法在空中停留太長(zhǎng)時(shí)間。
我們有什么妙計(jì)來(lái)解決這個(gè)問題嗎?
最近,空客公司宣布Zephyr T無(wú)人機(jī)(這是一款以太陽(yáng)能為動(dòng)力的無(wú)人機(jī))首飛成功。在斯普特尼克1號(hào)成功發(fā)射60年后,這家歐洲公司也加入了建造高空無(wú)人機(jī)(高空無(wú)人機(jī)兼具衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)和飛機(jī)的靈活性)的行列。這些“高空準(zhǔn)衛(wèi)星”并不會(huì)用來(lái)投擲炸彈或者運(yùn)送包裹,它們的使命是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的一些功能,并且可以定期返回到地面更換電池或者進(jìn)行其他方面的更新。也許有一天,成群結(jié)隊(duì)的、以太陽(yáng)能為動(dòng)力的無(wú)人機(jī)可以用來(lái)監(jiān)視軍事目標(biāo)或情報(bào)目標(biāo),追蹤森林火災(zāi)或者傳遞急救信息。
由于其所處的位置要比衛(wèi)星低很多,因此無(wú)人機(jī)可以拍攝更加清晰銳利的地球照片。不僅如此,這種無(wú)人機(jī)也可以通過使用激光來(lái)將信息傳遞給其他的無(wú)人機(jī),或者接收來(lái)自地面的信息,從而提供優(yōu)質(zhì)的帶寬鏈接,并且提供衛(wèi)星無(wú)法提供的通訊交流服務(wù)。
NASA的1999太陽(yáng)神原型機(jī)(Helios)是首批進(jìn)軍這一技術(shù)領(lǐng)域的的產(chǎn)品。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,NASA使用了一種回旋鏢狀的飛行器,這種飛行器是由碳纖維和泡沫塑料制成,可以用作空中手機(jī)信號(hào)塔。這種飛行器看起來(lái)非常優(yōu)雅漂亮,其翼展達(dá)到了75米,擁有14個(gè)電動(dòng)螺旋槳,但不幸的是在2003年墜入了太平洋考艾島(Kauai)附近。太陽(yáng)神最高可以達(dá)到3萬(wàn)米的高空,且可以在空中停留超過24小時(shí)。
事實(shí)上,具有如此翼展長(zhǎng)度的飛行器在這樣的高空飛行本身就是巨大的挑戰(zhàn),而且還需要采用太陽(yáng)能提供動(dòng)力,難度可想而知。對(duì)于太陽(yáng)神來(lái)說(shuō),能量存儲(chǔ)是致命傷。該團(tuán)隊(duì)嘗試了燃料電池,但是鋰電池其實(shí)是一個(gè)更好的選擇。“對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō),續(xù)航能力非常重要。你選擇的電池必須是非??煽康?,這就像冰箱一樣,你希望只是將它插上電,然后忘記它。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Del Frate說(shuō)。
從2008年開始空客公司就開始研發(fā)這種準(zhǔn)衛(wèi)星,旨在填補(bǔ)衛(wèi)星只能在軌道工作而無(wú)法在低緯度工作的空白。2010年,Zephyr 7刷新了當(dāng)時(shí)的續(xù)航記錄,其續(xù)航能力達(dá)到了14天。至此以后,這家公司決定對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化,由此推出了兩種模型,即Zephyr S和Zephyr T。英國(guó)國(guó)防部對(duì)前兩個(gè)Zephyr S進(jìn)行了撥款,并可能會(huì)使用它們來(lái)進(jìn)行監(jiān)視方面的任務(wù)??湛凸緡L試將Zephyr T的翼展長(zhǎng)度從25米延展到33米左右,這將使得其攜載荷能力翻兩番,達(dá)到20公斤左右,這足以保證該飛機(jī)可以攜帶雷達(dá)和軍隊(duì)客戶想要搭載的其他軍事設(shè)施。
這種以太陽(yáng)能為動(dòng)力的飛行器可以在2萬(wàn)米的高空飛行,是商用飛機(jī)飛行高度的兩倍。Zephyr 7原型機(jī)能飛行14天,而空客公司希望將這一記錄提高到至少一個(gè)月。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),該團(tuán)隊(duì)想到了從大自然來(lái)獲得靈感。和現(xiàn)在商用飛機(jī)上常見的上翹型翼梢小翼不同,該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的飛機(jī)的尖端向下彎,有點(diǎn)像禿鷹的翅膀。“由于我們?cè)O(shè)計(jì)的飛機(jī)的飛行速度非常慢,因此我們想增加它的升力。”Del Frate說(shuō)。經(jīng)過特殊的設(shè)計(jì),這種飛行器的風(fēng)力搜集利用能力提高了15%。當(dāng)然,減少機(jī)身重量也是一種不錯(cuò)的選擇,例如Zephyr S就只有65公斤,而Zephyr T算上有效載荷也就達(dá)到136公斤。
對(duì)于續(xù)航來(lái)說(shuō),最大的問題就是在夜晚的時(shí)候該怎么辦,因?yàn)楣夥?yáng)能電池不能在晚上產(chǎn)生電能。環(huán)球航行的太陽(yáng)能飛機(jī)提供了這樣一條解決思路:陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)(Solar Impulse 2)在白天的時(shí)候在9000米的空中飛行,而在晚上的時(shí)候飛行高度則降低為1500米。
Zephyr無(wú)法下降到這樣的高度,因?yàn)檫@樣的話它就會(huì)進(jìn)入商業(yè)航線范圍內(nèi),且將會(huì)用整個(gè)白天的時(shí)間來(lái)達(dá)到工作高度。據(jù)空客公司介紹,Zephyr使用的電力推進(jìn)系統(tǒng)的效率已經(jīng)非常高,但是還在進(jìn)一步的改進(jìn)中,希望能夠達(dá)到電池技術(shù)的先進(jìn)水平。