太阳能飞行器——空间能源在航空领域的研究趋势.doc

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1、空间能源在航空领域的研究趋势——太阳能飞机目前，人类所消耗的能源，绝大部分来自于一次性化石燃料，即石油、煤炭和天然气。从长远观点看，这类能源终有一天会被消耗殆尽。并且，一次性化石燃料使用量增加,会造成越来越严重的环境污染和温室效应，因此寻找和研发新可再生洁净能源的趋势已成。在地球上面临能源危机和航天航天技术已经获得高度发展的今天，向空间索取新的能源不但是必要的，而且也是可能的。向空间索取能源至少存在两种途径：一、在空间采集太阳能并以波束的形式传输到地面太阳能是对人类至关重要的一种能源，太阳辐射总功率为3.82×1023千瓦。在宇宙空间，利用太

2、阳能发电的优点是能充分发挥静止轨道资源的作用，静止轨道每年有99%以上的时间都能接收到太阳光的照射，比地面日照时间要大一倍多，同样面积的太阳能利用率约为地面的5倍。同时在空间微重力环境下，具有构筑大型太阳电池阵或太阳能收集器的良好条件。对于直接从空间采集太阳能，可以采取两种方案。一种方案是建造太阳能发电卫星，即在地球轨道上部署大型太阳能采集器，然后把采集到的太阳能以微波的形式定向传送到地面，地面接收站通过整流天线再把微波能转换成可以利用的电能。另一种方案是在月球表面上安装太阳能采集器，把所采集到的能量送往地面。二、从地外天体采集核聚变燃料对于

3、从地外天体获取核聚变燃料，主要是采用月球上的氦-3作为反应堆的燃料。在月球上，通过采用热离子和温差发电机等高效复合能量转换系统，便可直接将核能转变为电能。设想中的月球核能源基地，将包括核燃料供应厂、核发电设施和输电设施。月球上的电力，通过高传输效率的短波长激光束，也就是紫外线区的激光，输送到静止轨道上的能量中继卫星。在中继卫星上，电能被转换成在空气中具有高传输效率波长的激光，然后再传送到位于地球上的接收站，由接收站再将能量分配到各个地区供用户使用。此外，也可将氦-3从月球上开采出来运至地球。据预测，从月球的矿石中提取的氦-3，足以满足整个地球

4、400年能源的需要，用氦-3为原料，核反应堆成本降低一半，而且无污染。为了建立月球核能源基地，有许多工程技术问题，有待人们尽快研究解决。例如超高效能量转换系统、空间用核反应堆、空间机器人、大功率输出的高效激光生成设备、接收设备、激光传输的安全技术等。本文中着重空间太阳能的利用，在航空领域典型的例子是：太阳能飞机——以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。经典的机型有：“太阳神”号；“天空使者”号；“西风”号；“太阳脉动”号。其中，以瑞士阳光动力公司制造的“阳光动力号”稍为出名

5、。在中国人的眼中，瑞士闻名世界的是钟表制造业。人们翘大拇指称赞的各色各样的瑞士制造的精美手表，美观准时，价格不菲，照样受人追捧不已。这个印象不错，但不全面。从日内瓦创新论坛上丰富的信息表明，瑞土的科技创新综台水平在欧洲位居第一，多项指标超过德国、英国。例如，全世界航行最快的帆船，人工太阳光台作用的研究，人体神经信息传递的模拟功能的研究等，瑞士的科技界都处于欧洲和世界领先的位置。作为“太阳驱动”项目的技术支撑的洛桑理工学院的技术创新的位置，在欧洲排名第二，世界第32位。瑞土人不仅在科技创新方面卓有成效，在科学管理上也独树一帜。瑞土的洛桑商学院因

6、每年度公布世界竞争力评价报告而闻名世界。该学院的世界竞争力管理中心，观察受评的国家有58个，采集327个指标（其中2/3是统计指标，1/3是问卷指标），拥有54个世界台作机构的独特网络，与30家国际企业和私人研究机构紧密合作。因而，该学院颁布的评价报告受到各国管理科学界的高度重视。由此可见，世界最大的太阳能飞机出现在瑞士，也是理所当然的。“太阳驱动”项目总裁、瑞上探险家安德烈·波希伯格，作为杰出而务实的科技界的代表，冷静地观察到世界能源的主要来源石油、煤炭，被人类使用竭尽是可预见的事情。世界上最丰富的能源—太阳能的利用，有许多颇具挑战性的技术

7、问题需要认真解决。他们选择了太阳能飞机作为目标。首先，要面临技术路线的选择。目前的硅片转换太阳能的效率，只有20％，据安德烈的介绍，他们有的硅片最好的不过达到22％。“太阳驱动”机翼上装有12万对太阳能电池板。因此，要靠太阳能转换来的电能来转动螺旋桨获得开办，整个飞机及其装置必须足够轻。它的机翼长63.4m，相当于波音飞机的翼展，而重量只有1600kg，只有同类燃油飞机重量的五分之一，仅相当于一辆普通小汽车。飞机的主要结构用超轻碳纤维材料制成。为减轻飞机重量，驾驶基本是采用机械操纵，尽可能不使用大量电子设备；甚至连机身的防护都是贴薄膜，不涂油

8、漆。还有重要的一条，要实现环球持续飞行，白天飞行时，还要将多余的太阳能电力储备到高性能蓄电池中，使夜间飞行时有足够的电力续航。其次，科技创新的社会氛围很好。瑞士经济