太陽能飛機
太陽能飛機是以太陽輻射作為推進能源的飛機。這種飛機翼展較大,以便在機翼上安裝大麵積太陽能電池,獲取足夠的太陽能,用以驅動螺旋槳。
20世紀80年代初,美國研製出“太陽挑戰者”號單座太陽能飛機,被認為是世界上第一架真正意義上的太陽能飛機。這架飛機翼展14.3米,機翼和水平尾翼表麵共裝16128片矽太陽能電池,在理想的陽光照射下能輸出3千瓦以上的功率。1981年7月,“太陽挑戰者”號成功地由巴黎飛到英國,平均時速54千米,航程290千米,引起世人矚目。
像探查地球資源、探測空氣汙染情況、觀測氣象和完成軍事偵察等任務,固然可以由人造地球衛星來承擔,但它的巨額造價和靈活機動性不夠的缺點,使工程師們一直在考慮替代的解決辦法。
目前,最有希望的選擇就是無人駕駛太陽能飛機。由於它使用取之不盡,用之不竭的太陽能做能源,可以連續數月在高空進行偵察監視,不需中間回到地麵補充能源,本身造價又比較低廉,所以有些國家正在研製這種飛機。
由於這種飛機要長時間地持續飛行,需要大量的太陽能,因此需要大麵積的機翼,以便安放更多的太陽能電池。同時機翼的翼展要大,螺旋槳直徑也要大,以便在空氣稀薄的高空飛行。
在高空飛行有許多有利條件:首先,飛機不需要克服強風、大雨等氣象條件;其次,由於沒有雲的遮擋,稀薄些的大氣對太陽輻射吸收得也少,所以太陽能電池能吸收到更多、更強的陽光;最後,由於太陽能電池在低溫下性能更好,所以在低寒的高空,電池的效率也會比較高。
美國研製的無人駕駛太陽能飛機“探險者”號的第一架樣機,於1993年10月在加利福尼亞基地試飛,飛行持續41分鍾。這架飛機有8個由電動機驅動的螺旋槳,翼展約30米。機上裝有天文望遠鏡、攝像機、小型雷達等設備。由於電力不足,沒能達到預期的飛行性能。在更換了太陽能電池及擴展了電池的貼片麵積之後,太陽能電池組達到了輸出功率6.5千瓦的指標。這樣,“探險者”號新樣機在1995年9月11日的一次試飛中,飛行高度達到了15.4千米,創下了太陽能飛機飛行高度的世界紀錄。以後又飛出了22千米的高度。飛機大梁也由原來的木質改為用石墨/芳綸/環氧樹脂材料製造,不僅增加了強度,也減輕了不少重量。
“探險者”號的成功使美國航空航天局又確定了新的目標,打算對“探險者”號進一步改進,使其成為能在30千米高空持續飛行數月的新型無人駕駛太陽能飛機,並將把這種飛機命名為“百人隊長”號。
1998年,“百人隊長”號的研製工作正式開始,是在“探險者”號的基礎上進行的。第一階段的改進主要是將翼展加長到37米,位於中央翼的太陽能電池換成了光電轉換效率達18.5%的高性能電池,在中央翼處增加了兩台直流電動機,並采用了新型螺旋槳。這種改進的機型稱為“探險者”,它於1998年6月18日在夏威夷進行了首次試飛,飛行高度達15.2千米。同年8月6日,又飛出了24千米的高度。
按照美國航空航天局的計劃,在1999年用“探險者”在15.8千米以上的高空投放氣象觀測氣球。在2000年把“探險者”的翼展增加到63米,太陽能電池提供的能量將使飛機達到在30千米高度以上的飛行能力。屆時,該機將正式啟用“百人隊長”的名號。計劃最終將把“百人隊長”號的翼展加長到76.2米,使該機在2004年能具有在高空連續幾個月的滯空飛行能力。圍繞地球連續飛行,可方便地對某一地區進行長期觀察。
除美國外、德國、英國等也都在對無人駕駛太陽能飛機進行研製。
軍用飛機
我們從太空領域,回到地球大氣層以內,看看傳統的航空領域裏的情形。
地球大氣層的厚度足有二三千公裏。大氣密度因為受地心引力的作用,離地球越近越稠密,越遠越稀薄。衛星為什麼一定要發射到離地麵120公裏以上的高空,就是因為在這個高度大氣相對稀薄一些了,空氣阻力小,衛星容易保持飛行速度,能夠克服地球引力不掉下來。距地麵100公裏高空的空氣密度,隻有海平麵的一百萬分之一,如果高到200公裏,那就隻有五億分之一。
世界通行的分法是,把在大氣稠密區以外的飛行活動稱為航天,把在大氣稠密區以內的飛行活動稱為航空。我們常說的陸海空作戰中的空戰,指的就是在航空領域裏的作戰活動。