单位文秘网 2021-07-26 08:07:58 点击: 次
惟有想象,才是收获现实的土壤
——德莱顿
凭借太阳的臂膀
1971年,超轻型飞机的发明家保罗·麦克里迪成立了艾尔若威尔蒙特(AeroVironment)公司,现位于加州硅谷,他雄心勃勃,打算研制载人太阳能飞机。第一架成功上天的太阳能飞机是由艾斯特朗福莱特(AstroFlight)飞行公司的罗伯特 J·鲍彻设计的,这架叫做“日出”的小飞机于1974年11月4日飞上了蓝天,它是由弹射起飞的。
为了加快研制进度,麦克里迪选择了当时已经飞行成功的轻型人力飞机“蝉翼信天翁 II”为蓝本,按比例缩小到3 / 4,以便于以太阳能为能源进行驱动。1980年后,美国航空航天局(NASA)兰利和德莱顿飞行研究中心双双全面资助太阳能轻型载人飞机的项目。他们把正在研制的一架翼展为22米,仅重34公斤的轻型载人飞机命名为“蝉翼企鹅”,它要求的驱动功率极低,是太阳能飞机理想的试验平台。
动力装置由艾斯特朗福莱特飞行公司提供,由鲍彻担任这架“蝉翼企鹅”号飞机以及后来研制的“太阳能挑战者”号轻型飞机的主要技术顾问。初始阶段,在该机上使用了28个镍铬电池,大约可产生541瓦的功率,之后,才开始用太阳能电池板,上面共有3920个太阳能光敏电池。
悬而未决的需要解决的重大问题是,太阳能电池板转化太阳能为电能的效率很低,这就需要更加精确地掌握飞行所需要的功率大小,操作性能以及不断地调整和优化飞机结构及动力匹配,从而使各项参数和技术指标达到飞行标准。由于超轻型飞机重量很轻,试飞员的体重就成为一项至关重要的影响飞行的因素。因此需要挑选一名体轻如燕,又能面对极大风险挑战的飞行员。
麦克里迪很快决定了这个人选,这就是他的儿子马歇尔。那一年,马歇尔只有13岁,体重不足40公斤。
1980年4月7日,这位瘦弱的孩子进行了最冒险的初始飞行。为保险起见,他们给飞机配备了蓄电池。5月18日,这位13岁的男孩儿正式并且成功地进行了以太阳能为能源的处女航。从此,太阳能飞机的研究有了较快进展。
在这之后不久,美国航空航天局挑选了一位名叫詹妮丝的姑娘作为该中心的职业飞行员,于是詹妮丝成为了马歇尔的队友。她原是当地的一位小学教师,具有滑翔机和固定翼飞机的双重飞行执照,体重不足50公斤。她成为美国航空航天局太阳能飞机的职业飞行员后,驾驶着小小的太阳能飞机,宛如一叶扁舟,在天空中遨游,并摸索着经受颠簸、阵风、对流、雷暴、降水、冰雹、超低温和太阳辐射影响等各种条件下,安全飞行的能力。
这个阶段的试飞基地是在德莱顿飞行研究中心,它位于加利福尼亚州爱德华兹,与著名的爱德华兹空军基地相邻,主要承担民用航空全球化、相应的航空技术可持续性发展和飞向外层空间技术这三大研究任务。德莱顿是该基地的创始人,他是美国航空航天局另一位先驱者艾姆斯的得意门生。1919年,他成为约翰·霍普金斯大学最年轻的应用物理学博士。如今美国航空航天局下属的两家著名科研中心分别以师徒两人的名字命名,即德莱顿和艾姆斯科研中心。
当时,作为第一代的载人太阳能飞机,“蝉翼企鹅”号很快就暴露出一系列问题,有些则是先天缺陷。比如,主结构过于单薄,经不起起落阶段的侧风干扰;甚至在空中,轻度颠簸就足以严重影响飞行安全。尤其是在清晨和黄昏时刻,由于太阳角度偏低,太阳能电池板无法吸纳足够的能源,而这个时候,又是大气较为稳定,最适合飞行的阶段。
“蝉翼企鹅”号轻型载人太阳能飞机问世的意义在于,太阳能飞机的确不是梦想,是可以成为现实的。所以在此基础上,麦克里迪又研制出了比“蝉翼企鹅”号结构更好,强度更高的“太阳能挑战者”号,它完全可以承受一般程度的空中颠簸,可为今后的试验飞行打下基础。
神秘使命
1981年,“太阳能挑战者”号问世了。它共有16006块太阳能光敏电池,可提供3千瓦电力。从机体结构上说,已经具备正常试验飞行的能力了。
1981年7月7日,“太阳能挑战者”号飞机从巴黎起飞,成功地飞越了英吉利海峡,飘飘然从容地在伦敦降落,成功地在空中飞翔了5个半小时。“太阳能挑战者”号的飞行成功,不仅改变了太阳能飞机的命运,还加深了人们对太阳能的认识。
一位澳大利亚人看到这条新闻后,突发奇想——既然太阳能能够驱动飞机,为什么不能驱动汽车呢?一年后,他成功地研制出了一辆太阳能汽车,之后,又研制出更新的太阳能汽车,还带着他的杰作参加了澳大利亚的汽车越野大赛。
可是,正当澳大利亚人轰轰烈烈玩太阳能汽车时,在美国本土,“太阳能挑战者”以及太阳能飞机的科研工作者似乎在一夜之间就销声匿迹,偃旗息鼓了。
原因何在呢?无庸讳言,美国研究轻型飞机的一个重要目的是用于军事,特别是国土防空,因为军方期望建立起一支中高空无人哨兵队伍。实际上,在“太阳能挑战者”号飞机研制成功后,艾尔若威尔蒙特公司就获得了一个秘密合同——着手研制长航时太阳能无人机。这个飞机型号被命名为“探险者”。
为研制出长航时的太阳能无人机“探险者”号,首要解决的重大难题便是如何获得高效稳定的太阳能源以及飞行操纵。“探险者”号的机体很快就研制成功了,但是,不得不停下即刻升空的打算,把飞机贮藏在机库里,转向基础研究和关键技术攻关。这一放就放了整整十年,其中一个原因是冷战结束,军方失去了兴趣,这对该机的研制无疑是釜底抽薪。
直到1993年,美国弹道导弹防御协会对此项研究给予了资助,所以又开始了筹备“探险者”号太阳能无人机的飞行试验。作为飞行器,“探险者”最需要的就是投入飞行,这是它获得新生的最后机会。
1994年,“探险者”号终于完成了基础试飞。几乎在同时,美国航空航天局争取到了军方许可,对“探险者”号给予解密,并将其交给德莱顿飞行研究中心下属的环境研究和传感器部(ERAST),作为科学试飞和研究平台,从而可以利用其他科研和商业项目的经济支持。
环境研究和传感器部是当时美国航空航天局新成立的科研部门。该部门分配给“探险者”号的一个任务是,监测飓风对海岸和附近森林生长的影响,还打算把它用于观测美国西海岸的海洋自然环境,包括海藻繁殖,评估珊瑚礁的成长状态。这些科学研究是美国航空航天局多家研究中心、夏威夷和加州大学长期合作的科研项目。从2002年起,日本几家电子和先进材料公司也加入了“探险者”的科学研究,主要目的是研究利用它作为无线电中继平台的可能性。
对于“探险者”的试飞工作,首先是要对其进行验证,如此庞大又显得单薄的超级展弦比飞机如何安全方便地起飞降落;然后,需要证明它可以凭借太阳的光芒,飞到15000~24500米的高度。此外,还要研究一系列的轻型传感器,以便于该机可以搭载,从而进行有价值的科学研究和探测。
1995年9月11日,“探险者”号太阳能飞机创下了15500米高度的飞行纪录,在空中持续飞行了12个小时。这次是以太阳能作为唯一的动力能源进行飞行的。
研制“探险者”号的主要目的是研究太阳能无人机的长航时中高空巡航能力。飞行中,不仅飞行本身需要能源,而且自动飞行系统、无线电遥控以及所搭载的科学仪器都需要能源。此外,还必须解决夜间飞行时不能获取太阳能的难题。为此,给飞机配备了一个备份蓄电池,以便在夜间光线极暗的情况下,可以用这个蓄电池紧急供电,它大约能维持飞机两三个小时的夜航。
“探险者”的巡航速度很低,最大时速不到40公里,起降速度与自行车速度相仿。之所以选择低速度的设计是遥感观测的需要,它要求该机在高空尽可能宁静地低速巡航,减少自身造成的干扰,以便更精确地感测所需要的数据。
1997年,“探险者”的试验基地转移到美国海军太平洋导弹射程试验场。这个试验场位于夏威夷,全年阳光充足,大气条件稳定,地面导航台和空域条件都非常好。
在1997年7月7日的飞行中,“探险者”太阳能无人机的飞行高度达到22200米,不仅创下了太阳能飞机的飞行高度新纪录,同时也创下了以螺旋桨为动力装置的有翼飞行器的最高飞行纪录。
之后“探险者”号又进行了一些改进,其中最主要的改进是增加了两台螺旋桨电动机,以便试验新式的太阳能电池板和自动飞行系统,为研制更大的后继者“百人队长”号和“赫利俄斯”号太阳能无人机做准备。
“百人队长”与“赫利俄斯”
1997年早春,艾尔若威尔蒙特公司开始着手研制第三代长航时太阳能无人机,命名为“百人队长”。百人队长是古罗马军队中的一个低级军衔,管辖百名士兵。换言之,“百人队长”号太阳能无人机的角色就是担任实用领域的排头兵,公司希望它能飞上31000米高空,并能形成小机队规模,使其具有一定的商业价值。而科学家的目光,则开始注意它在地球大气外层边缘飞行的几个小时,因为那里环境洁净,阳光灼热且充足。
下一步的研制是需要提高“百人队长”的搭载量。他们计划用于地球环境科学研究的遥感仪器重量为50公斤,各类传感器、远程通信、农业和有害气象监测成像仪的重量为300公斤。在这样的负载情况下,要求该机应能飞到24800米的高度。
虽然“百人队长”利用了“探险者”号取得的许多成果,但仍然有许多新的技术难点。首先,大大加长了翼展,与“探险者”的翼展相比,整整加长了两倍,已达到64米,而翼弦保持不变,这样,展弦比提高到26∶1。这样一个庞然大物,在空中的稳定性和灵活性就显得更加重要。为此,需要增强它的主结构,包括机翼、发动机、起落架。在高空飞行时,主结构还需要有足够的韧性,才能经得起高空颠簸和其他恶劣大气条件的干扰。为此,采用了把整个主结构分成五大块,衔接起来的措施。
在高空晴朗的环境下,“百人队长”的太阳能电池板可提供31千瓦的功率,可驱动14台螺旋桨电机,并为自动飞行系统、远程通信和各种科学仪器提供能源。此外,它还携带有可以在极暗条件下飞行5小时的锂电池。
“百人队长”的最大时速只有33公里左右,由主翼后缘的升降舵调整俯仰姿态,并且依靠调整发动机的功率进行转弯。
1998年8月6日,“百人队长”号在试飞中,又书写了24800米高度的新纪录。
但是,“百人队长”仍然是万里长征的中间一步,也就是,在美国航空航天局的整个太阳能飞机计划中,不断提高飞行高度和留空时间是两个最主要的目标。对于“百人队长”来说,希望留空的时间首先是能增加到几个星期那么长,然后,再增加到几个月那样长。因为这是今后的大型科学试验、采样和战略性观测任务所特别需要的。
“百人队长”是太阳能飞机通往高空的最新铺路石,而在这条路上的继续奔跑者,就是它的下一个机型“赫利俄斯”号太阳能飞机。
赫利俄斯是希腊神话中的太阳神。1999年,美国航空航天局把它作为第四代太阳能飞机的名字,其意义在于希望他能够长期留在天空中,作为地球与深度空间之间的哨兵,巡航在31000米的高度上。
起初对“赫利俄斯”号太阳能飞机的研究目标是,希望它能够在热带地区高空全年飞行;在南北两极,当地夏季时分,至少可以留空4个月。为此,美国航空航天局为“赫利俄斯”号建立了两个阶段目标:一是,带着50公斤的小载荷,当日飞到3万米高度;二是,能够携带300公斤载荷飞到22000米高度,使之成为多用途无人机。为此,必须研制高效率的发动机、先进结构材料、控制装置、远程通讯和有效的传感器技术,以全面承担中高空各类科学研究任务,诸如风暴形成、大气运动、大气数据采样、自然资源变化等,以及巡视输油管道和作为无线电中继平台。
在31000米高空,“赫利俄斯”号太阳能飞机还有一个重要使命,就是充当试验品,积累设计新型火星飞行器的有关数据。因为在那个高度上,已经十分接近火星的大气状态。
“赫利俄斯”号原型机的主要结构与“百人队长”没有太大变化,只是在其基础上增加了一段机翼和与之配套的起落架,该机的起飞总重增加到800公斤,翼展加长到76米,超过了美国最大的战略军用运输机C-5和最大的民用运输机波音-747的翼展,成为名副其实的飞翼。在它的机翼上总共布置了62120个光敏电池。但是,夜间飞行的电力问题一直没有实质性的突破,仍然需要用锂电池作为辅助动力源。否则,能够持续几个月的长航时飞行便可梦想成真。
“赫利俄斯”号飞机有多种操纵方式:车载遥控、地面台遥控或飞行控制中心遥控监视等。作为一种无人机,人们必须有能力在地面最后终结它的使命,主要手段是降落伞和电子归航机,以便在意外情况下及时安全回收飞机,避免给地面人员和财产造成额外损失。
2001年8月13日,“赫利俄斯”号已能飞行到30000米的高度,并且能够进行平飞巡航。这个高度,比当前其他非火箭动力的有翼飞行器的最大飞行高度,整整高出了2800米。
2003年夏季,“赫利俄斯”号原型机要进行第二个,也是最后一个重大项目的飞行试验。这是一项为期4天的不着陆连续飞行试验,高度15500米,以验证储备夜间飞行所需电能量的氢氧电池系统。高效率的能量储备和转换系统,一直是实现长航时飞行的瓶颈,也是阻挡人类走向深层空间的障碍之一。
当地时间6月26日,德莱顿飞行研究中心发布了新闻公告:“赫利俄斯”号太阳能无人机,在起飞后29分钟坠毁于夏威夷考爱岛以西的太平洋海域,事故原因尚不清楚。
也许,这就是凭借太阳的代价。
责任编辑:京 勉 ■
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