《前沿科學》2008年第4期

 

 

陽光，光群場和太陽能飛行器研究

◆李曉陽

（珠海新概念航空航天器有限公司）

 

摘要：傳統能源稀缺已直接影響世界各國經濟和人類生活，并已成為人類未來能否在地球上繼續生存亟待解決的問題。由于地球能源中除核能、地熱能與地球形成初期的狀況有關外，一切已知的化學能量都是直接或間接來自太陽，因此人類所面臨的能源困境，其實是太陽能量得失失衡的問題，其根源在于人類消耗能量的速度，已明顯高于太陽能的直接或間接收集效率以及轉化利用率。太陽能是目前人類主要的持久能源，要充分利用太陽能就必須進一步揭示陽光更深層的本質和運動規律，進而研制出可以高效收集和轉化利用太陽能的新裝置設備。本文簡要討論關于陽光的若干問題，提出“光群場”假設，和光微粒、子光群、光源常數、子光群分布密度、持久能源等新概念，并簡述借助太陽能飛行器來研究太陽能的創新方法，和中國太陽能飛行器研制及其科學意義。

 

關鍵詞：陽光、太陽能、光群場、光源常數、持久能源、太陽能飛行器

 

 

The study of Sunlight, Light Group Field

and Solar-powered Aircraft

Danny H. Y. Li

New Concept Aircraft (Zhuhai) Co., Ltd.

 

Key Words: Sunlight, Solar energy, Light Group Field, Light Source Constant, Lasting energy, Solar-powered aircraft.

 

Abstract:  The shortage of the conventional energy has posed a threat to the economy, life and mankind’s future existence on this planet. Since all the known chemical energy on Earth, except nuclear power and geothermal energy which are related to the earth's formed condition, comes directly or indirectly from the sun. The energy dilemma we are facing is actually the imbalance between the gains and losses of solar energy, that is, we consume energy much faster than we can obtain it directly or indirectly from the sun. Solar energy is currently the main sustainable energy for us. To make full use of solar energy, we should further reveal the nature and movement of the sunlight, and then develop new devices that can efficiently collect and convert solar energy. In this paper, some issues on the sunlight are briefly discussed, the hypothesis of Light Group Field is proposed, some new concepts such as minor points, light particles subgroup, Light Source Constant, distribution density of light particles subgroups and lasting energy are also put forward, the innovative approach of studying solar energy with the aid of solar-powered aircraft are briefly described and the development of solar-powered aircraft in China and its scientific significance are mentioned.

 

前言與背景

 

    20世紀以來，種種原因導致世界各國能源消耗量劇增，地球上的煤炭、石油等傳統能源儲量越來越少，能源狀況已直接影響世界各國經濟和人類現代生活，更成為未來人類能否繼續在地球上生存的先決條件。處于能源變革壓力中的人們寄希望于向地球和宇宙空間尋找替代能源，太陽能、風能、生物燃料、地熱、海洋能和可控核聚變，以及海底天然氣水合物“可燃冰”甚至宇宙間的暗物質暗能量等等，都是人們探索研究的目標。盡管這些探索研究大多還停留在實驗階段，但畢竟給人們帶來了新的希望。

        然而前述各種替代能源的獲取方式，大多只是通過消耗某些能源來換取另一些能源，或者是利用廉價低密度能源來獲得昂貴的高密度能源，其中一些方案還有可能導致地球環境惡化。例如用農作物莖塊、果實等轉化而來的生物燃料如乙醇、丁醇之類，其生產過程中必須消耗能量(催化劑所耗費的能量、蒸餾提純時所耗費的能量等等)，這類生物燃料的凈能量實質上是其他能量的轉換或重新聚集。因此，即使把地球上所有可以轉為生物燃料的農作物、植物全都用來生產燃料也不夠人類所用，還可能會導致糧食危機。將碳氫化合物轉化為烷烴化合物的各種生物能源方案，幾乎都存在著類似的隱患。又如利用活性炭從海水中吸附提取氫同位素氘，然后將其用作氘-氚受控核聚變原料的方案，從原材料生成、活性炭生產到由海水中提取氘等過程都需要耗費很多能源。受控核聚變反應堆更是要保持攝氏幾千萬至幾億度的極高溫，才能使核聚變持續進行，反應過程顯然要耗費大量的能源。因此，即使人們已經充分掌握并可靠運用受控核聚變反應的相關技術，也仍然是用能源換能源。海水中的氘不太可能供人類長期提取，因為我們不可能再造一個大海來儲存提取過氘的海水，還得把他們放回原來的大海中，這樣海水中的氘濃度就會越來越低，再提取氘就會越來越困難乃至得不償失了。當然，人類所有向大自然尋求新能源的嘗試，只要不違反大自然規律、不破壞人類的生存環境，在力所能及的條件下都是值得努力去探索的。正因為有了這些探索我們才會知道可行與不可行，從而作出明智的取舍。

        無論是現在或將來，顯然只有太陽能的利用更具可行性并且符合大自然規律。地球能源中除核能、地熱能與地球形成初期的狀況有關外，一切已知的化學能量都是直接或間接來自太陽，因此人類所面臨的能源困境，其實是太陽能量得失失衡的問題，其根源在于人類消耗能量的速度，已明顯高于太陽能的直接或間接收集效率和轉化利用率。根據現有太陽假說看人類將來，可能也只有太陽能夠與人類長久同在，直到太陽最終因其能源耗盡、核聚變停止而坍縮成白矮星或其他天體為止。

        顯而易見，從根本上解決人類能源困境的方法，應當是加快揭示和掌握還不為人們所知的太陽、陽光和太陽能的更深層內幕，進一步完善太陽、陽光和太陽能以及其他光現象的本質與運動規律的科學理論，通過科學實驗找出能不斷提高單位面積太陽能利用率的更好方法，并將這些方法工業化來為人類服務。筆者認為，太陽、陽光本質與特性的真相應當還有更符合事實的解釋與描述，陽光只是太陽能的一種表現形式而非全部。因此在本文中提出“光群場”假設，并簡述借助太陽能飛行器來研究太陽能的創新方法，和與該方法相關的“翱翔者” 號、“綠色先鋒Ι”太陽能飛行器。

 

1陽光、持久能源與光群場假設

 

1.1陽光和太陽能

 

    相對于地球上的生命現象和生命集成體（生物）來說，太陽無疑是最重要的天體和生命之源，而陽光更是人類生活和生存最基本的要素。人類最早對陽光的研究始自何時如今已很難追溯，但從前人留下的記載來看，17世紀顯然是人類對陽光以及其他光現象展開探索研究一個十分重要的時期。先是法國人費馬（Pierre de Fermat）在前人發現的基礎上，總結出光的折射定律并提出“光總是走最短路線”。不久，法國人伽森荻（Pierre Gassendi）和英國人牛頓（Isaac Newton）先后提出了光是由大量物質微粒組成的假設。到了17世紀末期，英國人虎克（Robert Hooke）和荷蘭人惠更斯（Christiaan Huygens）又提出了光并非物質微粒而是一種波動現象的主張……之后，圍繞光的本質和運動規律等問題，人們還提出了電磁波說、光量子說、波粒二象理論互容等假設，并通過各種方式的相關實驗來加以驗證，更展開了長達數百年的激烈論辯。時至今日，光理論和光利用科學無疑已成為當代科學技術的主要基石之一，但關于太陽、陽光以及其他光現象至今仍有許多未解之謎，例如“微觀環境下光本質究竟是什么？”、“光的微觀運動是否真沒有明確規律可循？”這些最基本的議題，仍在廣泛地探索研究和反復討論之中。光的研究也因與其他學科相互交叉和相互滲透，衍生了許多更為復雜的邊緣科學問題。不過，前人的各種主張和反復的論辯，促進了人們對光尤其是陽光和太陽能的持續深入了解，使得光的各種特性在人們的生活中發揮了越來越重要的作用。

        筆者認為，雖然陽光與太陽能兩者之間密不可分，但兩者性質明顯不同，陽光是太陽能的局部而非全部，這一觀點將在下文中討論。此外，太陽能應當區分為“廣義太陽能”（Generalized solar energy）和“狹義太陽能”（Specialized solar energy）。廣義太陽能是指太陽產生的所有能量，而狹義太陽能則是指目前人類能夠利用的、通過陽光和其他形式傳遞到地球的太陽能，即人們平常泛指的太陽能。正確認識和區分太陽能是十分重要的，因為人們不僅要思考和實施如何更有效的收集和利用來到地球的太陽能，還應當探索研究太陽其他已知或未知能量的成因、消耗去向等規律，為人類的將來開拓更為廣闊的能源空間。

 

1.2 持久能源

 

    歷史記載表明，人類是從被動接受陽光逐步轉變為主動探討太陽、陽光和如何利用太陽能的。如果人們通過長期研究而形成的太陽假說與人們對太陽能來源的認識是正確的，那么把太陽能定義為“可再生能源”就是錯誤的，因為太陽能不可“再生”，目前也沒有發現太陽重新獲得氫元素的渠道。根據現有太陽假說，太陽能來源于太陽內部氫聚變為氦的熱核反應，這個過程的宏觀表現是太陽持續向宇宙空間發出光和熱。如果熱力學第二定律是正確的，那么太陽內部的熱核反應顯然不可逆轉。也就是說，已經轉化為太陽能的氫能，不太可能重新回到太陽內部還原為氫。所以太陽內部的熱核反應原料氫不可再生，會因越耗越少而最終耗盡。反觀與太陽能一同被定義為“可再生能源”的地球風能、水能、生物質能等物理或化學能量，都是因太陽能作用而產生的次生能量，與太陽能是因果關系而非平行關系，只有當太陽存在并保持足夠的光和熱時，這些能量才可能在太陽能的作用下重復產生（再生）。

       筆者認為，太陽能的準確定義應當是“可持久利用能源”，簡單表述為“持久能源”（Lasting energy）。符合持久能源定義的地球能源，還包括地球與其他天體相互作用而產生的潮汐能、以及來自地球內部的地熱能、核能。這里所述的“持久”，是相對于太陽、地球以及能與地球互動的其他天體的假定壽命周期而定義。

 

1.3 “光群場”假設

 

1.3.1研究物質世界的方法簡論

 

     從科學發展觀看人類認識物質世界的歷史，我們不難發現過去和現在的一些方法有明顯的局限性，尤其表現在對微觀世界物質狀態和行為的描述方面。例如量子力學描述光的波粒二象表現，主要是依據統計學和概率理論以及所謂波函數的統計詮釋，這些方法只是對微觀世界的看法和數理邏輯推理分析，沒有任何證據顯示微觀世界事物真相的確如此。顯然，我們僅僅用數理邏輯關系來推定微觀世界真實物質的狀況是不足夠的，這也是目前人類對光本質和運動規律的認識難有根本性突破的原因。如果我們要繼續探索物質的微觀世界，就必須尋求新的方法來接近和揭示事物真相，而不能只是停留在數理邏輯推理的局限上和人們的自由想象之中。

       在宏觀物質運動研究方面也有諸多與上述類似的情況。例如描述太陽能與電能轉換、勢能與動能轉換等能量轉化關系的熱力學第一定律（能量轉換和守恒定律），人們預先假設各種能量之間的轉換關系和參與條件，然后通過實驗來檢驗這些轉換關系與條件。而對于能量轉化過程中的一些“不確定”或者“測不準”因素，例如加熱時從外界獲得的能量值或因熱輻射逃逸損失的能量值等等，因無法觀測其微觀環境下的真實狀況或難于收集計算，只能在宏觀上用預設的數學關系來推測其量。這樣的假設，實質上并不能證明能量轉化過程的真實環境中的確發生了什么，也不能證明所有相關能量的轉化都是守恒的。在這種基于數學量守恒前提的預設下，熱力學第一定律能夠成立并且一直沿用至今就不足為奇了。由于能量轉化過程中許多真實情況因無法測定而尚不為人所知，因此我們必須重新審視“能量守恒”這塊物理學大廈基石本身是否也能守恒。

       在受認識與條件所限、因“測不準”而對微觀世界用數理邏輯方法推測出種種“不確定性”的現階段，盡管“科學的主要目的是以最少數的假設，用合理的邏輯來解釋最廣泛的實驗結果”已成為科學研究領域的主流共識，我們仍然不能因某些理論學說對微觀世界的描述得到學界廣泛認同，而放棄對事物真相的繼續探索。因為，唯心主義的主觀意識可能會使我們對微觀世界的認識不斷模糊化，其結果將是導致我們因無法了解真實的物質世界而走入歧途。

       人類社會各個階段對所處世界的認識總是有其歷史局限性的，例如前人對月球的想象和描述就與我們今天對真實月球的初步了解截然不同，火星更是如此。也許我們不必將目前條件下無法直觀測量的微觀世界想象和描述得如此神奇以致“無人能懂”，更不該將只是依據數理邏輯推理來描述的微觀環境當成真實的世界。我們應當對人類身處的客觀環境給予更多關注，這有利于宏觀與微觀世界探索研究之間的良性互動，使我們能夠回復本真，不斷地接近真實的世界。

        筆者的研究工作涉及光合作用機理、光科學與太陽能利用、量子技術和航空航天等科學領域，長期的工作實踐使得筆者更多地關注陽光、太陽能和其他光現象，以及前人在該領域所累積的研究成果。通過長期觀測、進行各種相關實驗和比較分析，筆者認為陽光和太陽能以及其他光現象應當還有更接近真相的解釋。因此，筆者提出關于這些討論的全新觀點—“光群場”（Light group field）假設。限于篇幅，本文僅列出光群場假設要點和相關的概念。關于光群場假設的深入討論，將在本文的后續文中闡述。

 

1.3.2光群場假設及其要點

 

       光群場的基本定義是：光源產生的光微粒構成子光群并組成光群，子光群間的作用力使得光群趨向釋放這些作用力，表現為光群向光源所在的三維空間擴散；光群、光源點與光群所能到達的空間所構成的三維區域，稱為光群場。光群場的抽象表述如圖1和圖2所示。

        廣義的光群場還包括因光群與其他物質、其他光源相互作用而產生的“次生光群場”（Secondary light group field）、“復合光群場”（Composite light group field）等多種類型。次生光群場是指光源作用于其他物質（例如反射、折射、漫射、衍射、光電效應等）而產生的光現象；復合光群場則是指兩個或多個光源所產生光群場之間相互作用而產生的光現象。

       由光源產生的光群場，其特征和主要物理狀態如下：

     （1）、光群場由三維空間、光群（Light group）組成。光群由子光群（Light particles subgroup）組成，子光群則由光微粒（Minor points）組成。光群不能脫離三維空間而獨立存在。

     （2）、光群總體特征原態的最小表現單位是子光群，每個子光群都是由多種光微粒組成。子光群呈微粒態，由更細小的微粒按一定規律構成。同一光群中，各子光群所包含的光微粒種類和同種光微粒的數量都相同，因此各子光群特征都相同。子光群之間有原生相互作用力，該作用力是子光群之間以一定規則相互聯系的媒介和光群脫離光源的主要能量來源。此外，該作用力也是導致宏觀狀態下自然光總是均勻分布和“光總是走直線”的根本原因。

     （3）、子光群中，光微粒的種類、同種光微粒的數量和各種光微粒的原生特性，由參加光源化學或物理反應物質的種類、數量與量值比例、影響該光源反應過程的外界條件等因素所決定。光微粒的原生特性，是導致光微粒形成子光群、和子光群之間有相互作用力的原因，也是子光群與其他粒子態物質作用時產生特定效應的原因。光源以一定頻率產生光微粒，因此單位時間內光源產生的子光群數量相同。不同光源單位時間內產生光微粒的數量和種類不同。 

 

   （4）、子光群呈原生波動態。不同光源所產生的子光群其原生波動特性不同，由光源內部（或表面）的化學或物理變化、反應過程的外界條件給定。因此，唯一光源構成的光群場，其任意點的光譜表現都相同。當光群或子光群受外界條件影響，例如通過色散裝置（如棱鏡、光柵等）時，子光群的原生波動特性會因被分頻（分光）而表現出來。

     （5）、子光群具有粒子態特征，該特征與組成子光群的各種光微粒有關。子光群的粒子態特征在其作用對象也呈粒子態時會表現出來（例如光電效應）。

     （6）、處于光群場中的光群，因其子光群之間的相互作用力而相對于光源形成密度遞減的傳播媒介（光群介質），光群因自成傳播媒介、傳遞光源的振頻和光壓等而具有次生波動態。子光群的原生波動和光群的次生波動導致光群表現出波動性。

     （7）、子光群是傳遞光源能量的主要載體，光群中不同光微粒傳遞能量的表征和效率不同。此外，由光群組成的光群場本身也是傳遞光源頻率、光壓和能量的介質之一。

 

   （8）、可見光的亮度取決于光群場中的“子光群分布密度”（Light particles subgroup of distribution density），不可見光也遵循這一規律。理想光群場任一單位區域中，子光群分布密度與光源點的子光群分布密度成正比，與該區域到光源點距離的三次方成反比。

       關系式表述為：

        式中，為該區域的子光群分布密度，為光源點的子光群分布密度，為該區域到光源點的距離，當為零時，子光群不存在；當趨向無窮大時，光群場中的子光群數量趨向于零。

     為“光源常數”（Light sources constant）。光源常數是表明光源物質發光特性和光群運動規律的重要參數，取決于光源物質的固有成份、參與反應過程的相關條件、所產生的光微粒種類與子光群中各種光微粒的組合狀態。自然界中所有在一定條件下能成為光源的物質，都有一個與該物質對應的光源常數，各種物質的光源常數可由相關實驗測定。

        子光群分布密度是體現光群狀態的重要指標，也是解釋自然界各種光現象的基本依據。光源點表面的子光群分布密度，由光源物質的物理和化學性質、光反應條件、單位時間中光源點單位容積內所產生的子光群數量決定。不同物質產生的光源，其光源點的子光群分布密度不同，可由相關實驗測定。

        綜合上述，本文提出的光群場假設與經典物理、量子物理相關理論以及其他光理論的關鍵不同點在于：

     （1）、光群場假設認為：光并非只由單個光子（或稱光量子）組成，而是由多種不同特征的光微粒按一定規律組成微粒態子光群并形成光群，光群即物理學泛指的光。子光群是光源特性的載體，表現其光源的所有特征。光群不能脫離光群場而單獨存在。

     （2）、光群場假設認為：光的波粒二象表現并非不確定的概率事件，而是確定和遵循一定規律的。光的粒子態表現是由于構成光群的子光群本身呈粒子態；光的波動性表現則是因子光群具有的原生波動性和光群的次生波動性共同作用所致。因此，光群（即“光”）始終呈波動態，光群只有在與呈粒子態的某些物質產生相互作用時，才會局部表現出粒子態。不同光源產生的光，其粒子性與波動性表現不同。

     （3）、光群場假設的子光群分布密度和光源常數等相關概念，可以合理解釋并且量化自然界中的所有光現象。

     （4）、以光源所在宇宙空間的容積作為參考系，隨著光群的運動，子光群分布密度趨向無窮小，故光群趨向消失。由于光速不可能脫離光群而獨立存在，因此，相對于光源所在宇宙空間的容積，光速是遞減的變量，趨向無窮小。也就是說，光速是否可變與所選擇的參考系有關，與時間無關。

       光群場假設可以更合理地解釋自然界的各種光現象，試舉幾例如下：

        光群場假設所提出的子光群分布密度概念，可以很好地解釋在大自然環境中，為什么我們離光源越近感知的可見光亮度越大，而離光源越遠則感覺亮度越小。我們時常聽到某某天文望遠鏡在遙遠的天際又發現了某某星球的報導，那么為什么前人沒看到這些確實存在著的天體呢？用光群場假設的子光群分布密度概念就能簡明回答這個問題：由于地球距這些星球十分遙遠，這些星球的光群（自為光源或者反射其他光源的光）擴散到地球時，其子光群在地球附近空間的分布密度幾乎為零，不能引起人類的視覺感知系統的反應。當我們用高倍率的天文望遠鏡看向這些星球時，相當于將人類的視覺感知系統移近到這些星球光群場子光群分布密度較大的區域，因此我們就能看到這些星球。如果要更清晰地看到這些星球，就必須將視覺感知系統進一步移近目標，即移到光群場中子光群分布密度更大的區域。通俗地說就是，望遠鏡的倍率越大、看得越遠就越能辨清目標。根據光群場假設，由于子光群攜帶光源的特征，所以我們不但可以看到星球的形狀、顏色等基本形態，還可以通過光譜分析來全面解讀該星球。

        日常生活中人們都有這樣的體驗，一個物體離自己越遠就越感覺模糊、看不清楚，其原因在于：人類的視覺感知系統和視力有別只是其中一個相對不變的因素，最主要的原因是離物體越遠則該物體光群場的子光群分布密度越小，因此無法在我們的視覺感知系統構成高密度的圖像，以致我們無法辨別目標。當我們逐步走近該物體的時候，實際上是逐步進入該物體光群場中子光群分布密度越來越大的區域，于是分辨這個物體就可以越來越清楚。這種情況有點類似平面圖片的解析度，解析度越小看起來越像“馬賽克”，而圖片的解析度越大則越清晰。

       光群場的子光群概念還能說明為什么離目標無論多遠，只要我們借助的望遠鏡沒有色散問題，就能夠看清目標的全部形態特征。形象地比喻，子光群就像是攜帶了母體全部特征的遺傳基因，表現出目標的全部形態特征。因此距離只會影響我們能否看清目標，而不會影響我們對目標特征的判斷。

       筆者研究發現，光源產生光群后，光群自身構成按特定規律運動的物質，這些運動規律宏觀和微觀上除了受光源的影響和制約外，還有不受光源影響和制約的其他重要因素?？茖W實驗表明，光群場假設有可能對我們身處的宏觀、微觀世界作出更全面和更合理的解釋，各種光現象規律能夠建立起更接近真實世界的數學關系。光群場假設還有可能揭示陽光、太陽能的更深層內幕，根據“光群場效應”（Light group field effect），有可能得出在地面上利用太陽能的更好方法。微觀上，光群場假設有助于從新的角度進一步認識物質世界的真實狀態。

       筆者聲明：光群場假設及其相關概念的中、英文名詞和數學關系式等，全部為筆者原創，在本文中首次發表。

 

2太陽能飛行器

 

2.1 陽光和太陽能研究的一種創新方法

 

    地球大氣層對人類的長久生存是各有利弊的，正是大氣層降低了太陽輻射的損害，地球有生命的萬物才得以長久生存和繁衍。但從太陽能利用的角度來看，人們在地面上收集、儲存太陽能的效率顯然被大氣層顯著降低了。人類開始尋求解決矛盾的方法，并提出了一些相關設想和實施方案，例如美國人20世紀60年代提出的、在地球同步軌道上建立太陽能發電站的設想。地面上和在地球同步軌道上利用太陽能發電有本質不同，因為兩處太陽能的能量密度有巨大差別。地面環境除了大氣層極大降低了太陽能密度以外，氣候和氣象變化也會嚴重影響太陽能的收集。從粗略的估算分析可知，地球繞太陽公轉一周，僅穿過圍繞地球赤道（對地高度約200公里）1公里寬環狀帶區域的太陽能，就約相當于地球目前已探明的石油能量總和。因此如果能在太空建立某種平臺收集太陽能來發電，并通過無線輸電技術將電能傳輸回地面，將會有效地緩解人類的能源困境。以20世紀60年代的科技水平，在地球同步軌道上建立大面積平臺來收集太陽能的設想顯然是遙不可及的。不過，最終能為人類服務的所有的科學技術成果，大多是從極難實現的設想開始的。人們朝向這方面的努力仍在持續進行，相關的科學研究和技術實驗也越來越多，關鍵技術日趨成熟。預計不久的將來，人們在一定程度上能夠將設想變成現實。

       北京航空航天大學（簡稱北航）的科技人員，在1989年提出了太陽能高空長航時飛行器構想，并展開了相關的基礎科學研究。根據當時的條件，北航相關科技人員將研究內容設定在兩個相互關聯的方向：（1）設計制造一架太陽能飛行器技術驗證機來作為實驗床，建立和逐步完善太陽能飛行器的科學理論和制造技術，為進一步研制實用的太陽能飛行器打下基礎。（2）用太陽能無人飛行器來作為大氣各層太陽能研究的實驗床，研制各種微小型的相關測試記錄儀器并用太陽能飛行器帶上高空，以測試不同空氣密度、不同氣象條件、不同季節、不同地理位置等條件下，陽光的運動特性和太陽能的各項指標。這些工作需要長時間的重復進行和反復比對，才有可能獲得相對可靠的實驗數據。

 

    迄今為止，人們研究陽光、太陽能的工作幾乎都是在地面環境中進行的。因此，相對于地球到太陽的距離，可以近似地看成人們只是在同一個點開展研究工作，無法從垂直方向不同的位置來研究陽光和太陽能以作出比較。此外，地球大氣層與陽光、太陽能的相互作用，也導致人們難于更深入地揭示事物更深層的本質與運動規律。即使有條件借助先進的實驗設備在地面模擬大氣各層環境來研究陽光和太陽能，其結果顯然也難與在真實環境中的得出的研究結果相比擬。目前常規飛行器升限很難到達對流層上部這樣的高度，升到平流層則更為困難，而且造價與使用成本也都很昂貴。太陽能飛行器由于能夠在空氣稀薄環境中長時間低速飛行，相當于以極低的成本將以往只能在地面進行的陽光和太陽能實驗，提升到對流層上部、平流層甚至近地空間，并能以極低的成本長期獲取太陽能的各方面資料。

       太陽能飛行器還有可能作為地球大氣更高層探測裝置的廉價二次發射平臺，從平臺發射微小型亞太空或太空探測器來收集大氣最上層近太空區域的陽光狀況和太陽能資料，以及執行其他探測任務。這種方法的經濟效益遠高于地球軌道、亞軌道人造衛星或空間站。太陽能飛行器應用于陽光和太陽能研究如圖3所示。

        人們常常將科學與技術分成兩個不同的領域和方向，故長期以來，人們對太陽、陽光和其他光現象的理論研究，大多與相關應用技術研究相脫離。這種狀況使得該領域研究在理論上難有新的發現，而應用技術的發展也舉步為艱。由于現代科學與技術的交互滲透，諸多領域已難分清其科學與技術的界限，太陽能研究利用領域也是如此。將太陽能飛行器應用于陽光和太陽能研究，是一種將理論研究與應用技術研究相結合，形成良性互動的創新方法。

 

2.2  太陽能飛行器

    太陽能飛行器是指以陽光、太陽能以及太陽本身可能存在的其他能量來作為動力和工作能源的飛行器。以太陽能作為未來航空航天器的輔助能源乃至主能源，是人類具有方向性和前沿性的重要研究目標。20世紀中期以來，太陽能飛行器研究已經成為世界航空航天業重點發展的新興領域。其原因主要有如下兩個方面：（1）如上文所述，人們需要向地球以外的空間尋求持久能源和潔凈能源，以緩解越來越嚴重的能源困境和保護地球環境。（2）社會發展使得人類對飛行器的航高、續航力等要求越來越高，而吸氣式發動機飛行器無法在空氣稀薄的高空運動，航高受到限制；飛機爬升到高空也因需要耗費大量燃料而限制了續航力。太陽能飛行器翼載荷可以設計得很小，因此能在低密度空氣環境中飛行。同時，太陽能飛行器利用太陽能作為主要動力源，飛得越高采光集能效益越好，因此理論上可以不受上述限制。

        太陽能飛行器是非常復雜的當代科學技術集成體，他不僅像常規飛行器一樣，需要解決材料與結構、重量與可靠性、氣動和控制等方面的諸多問題，還需要解決目標指向高空應用的太陽能電池、螺旋槳推進系統、熱交換和能量儲存裝置以及各種測量傳感系統等相關技術難題。太陽能飛行器理論上可以在空中相對長久飛行（例如幾個月甚至更長時間），這種優勢使太陽能飛行器有可能用來替代低軌道衛星的部分功能，執行國防任務或作為民事用途。

        目前世界上還沒有實用的太陽能飛行器，各國相關的科學研究正在持續進行中。

 

2.3 “翱翔者”號太陽能飛行器

 

    “翱翔者”號太陽能飛行器，是北京航空航天大學一個科研小組在1992年設計制造的，該機是中國有記載的第一架太陽能飛行器，所涉及的相關技術也獲得國家專利局發出的、中國第一項太陽能飛行器專利權（ZL94209702.5，1994.10.30，China）。

 

 

    “翱翔者”號太陽能飛行器的構造和主要性能數據如圖4所示。該機機體和機翼采用碳纖（Carbon Fiber）和凱夫拉（Kevlar）、輕木等材料用手工制造，機翼設置翼尖小翼，以擴大翼展和降低誘導阻力，提高飛行性能。上翼面和水平尾翼能夠利用的面積，都用交互布陣法鋪設和連接單晶硅太陽能電池薄片。這些太陽能電池薄片極易碎裂，因此上翼表面與太陽能電池之間設有GPPS薄膜的緩沖層。該機采用一組特制的鎳氫電池組儲存太陽能電池獲得的電能，并作為中間交換器來為配有減速裝置的低速螺旋槳推進器提供電力。該機用望遠鏡配合人工目視操作來進行飛行控制操作，飛控設備為改良的Ftb.1024。為了減輕重量，該機用人手投擲起飛，回收用滑橇式降落架。受當時的條件所限，“翱翔者”號只有極小的任務載荷能力。

 

     經過大量實驗和反復優化改良，“翱翔者”號于1994年8月在華北地區開展相關科學實驗工作，主要驗證不同光照、不同海拔高度條件下“翱翔者”號的結構強度、氣動特性、操縱性、光電轉換效率和輔助儲能裝置性能、續航力、太陽能電池布陣效益，以及復雜氣象條件下的各項性能指標變化規律等。實驗獲得成功并達至預期的目標（圖5）。

      “翱翔者”號把陽光和太陽能研究以極低的成本提升到空中，其科學意義還包括通過技術/工程驗證機的研制與相關實驗，能夠發現太陽能飛行器關鍵技術問題和利于找出解決問題的方法，為進一步研制實用的太陽能飛行器建立理論基礎和累積工程實踐經驗。這種先研制縮比驗證機再研制全尺寸太陽能飛機的方法，有利于顯著降低科研經費、縮短研制周期。

 

2.4 “綠色先鋒Ι”太陽能飛行器

 

    第四屆中國國際航空航天博覽會新聞發布會對外公布中國“綠色先鋒”太陽能飛行研究計劃，該計劃目標是結合一種特殊型式的太陽能飛行器研制，系統地研究與太陽能飛行器相關的科學問題，為持續發展中國太陽能動力飛行探索研究事業建立更全面的科學技術基礎。該計劃由珠海新概念航空航天器有限公司、中國航空工業發展研究中心、中國航天空氣動力技術研究院聯合實施。

     

    現有空氣動力學理論和經驗公式、常規飛行器普遍采用的計算方法，并不適用于太陽能飛行器，因此必須另辟蹊徑。“綠色先鋒Ι”采用了復合飛翼氣動布局（圖6），布局和結構新穎合理，在盡可能減輕全機重量又保障結構強度的前提下，有更大的機翼采光面積。全機上、下翼面設置高轉化率的柔性太陽能電池陣列來作為動力和控制、任務設備能源采集器。以利于全方位采集太陽能（例如直射光和側射光、云層和地面反射的陽光等），顯著提高太陽能的利用率。復合飛翼氣動布局源于20世紀90年代歐洲提出的“連翼機”設想，而“綠色先鋒Ι”太陽能飛行器則首先在世界上實現了工程意義上的突破和創新。由于“綠色先鋒Ι”在具體結構上與歐洲的“連翼機”設想有本質不同，因此獲得相關技術的國家專利權（ZL01270983.2，2002.8.21，China）。“綠色先鋒Ι”的風洞實驗和外場飛行實驗證明，相對于各國現有的太陽能飛行器總體形式來看，中國的復合飛翼方案更具優勢，例如在同等機體重量的條件下有更大范圍的采光面積，在對流層下部氣流多變的環境中飛行時，有更好的安定性和操縱性等。

 

 

 

    太陽能飛行器理論上可以長久地在預定空間飛行。白天飛行時所采集的太陽能轉化為電能后，一部分經中間裝置為飛行器螺旋槳推進器提供電力，另一部分則用于電解飛行器水倉中的水以生成氫氣。這些氫氣通過氫燃料電池轉化為電能并儲存在機載儲電裝置中，為飛行器的夜間飛行和任務設備工作提供能源。由于燃料電池生成的水輸回上述水倉中循環利用，因此飛行器的重量不會發生超限變化，這是太陽能飛行器能長久留空的主要條件之一。資料顯示，借助高能重比儲電池，英國研制的太陽能飛行器在2008年已能夠日夜持續飛行近90小時，但在現階段科學技術條件下，太陽能飛行器要實現更長久地飛行還有諸多技術難題需要解決。

   “綠色先鋒Ι”太陽能飛行器的構造、主要性能和系統組成如圖7、圖8所示。該機從2004年夏季起在華南地區試飛和開展相關科學實驗工作（圖9），在光電轉化效率提升、光機電一體化技術應用、燃料電池熱交換系統技術等方面都取得長足進步。實驗證明，在一定條件下人類已能實現完全依靠太陽能來飛行。在不久的將來，太陽能飛行器有可能成為新型的運載工具、高空科學實驗平臺和通信中繼平臺（圖10）等來為人類服務。

 

3 結束語

    前人對太陽、陽光、太陽能以及其他光現象探索研究已經有了大量成果，但人類在這方面的工作還遠無止境。日益凸顯的地球能源困境，令該領域工作已超出我們當代人承前啟后的歷史責任范疇，明顯指向人類將來還能否在地球上持續生存的重大問題。社會進步和現代科學技術的發展，使得我們當代人對太陽、陽光、太陽能以及其他光現象的深入探討不僅有了急切的必要，也有了實施的可能。問題在于：我們應當如何去發現這個領域尚不為人類所知的事物？我們還有什么更多更好的科學方法來配合與促進該領域的工作？太陽能飛行器有可能成為人們在該領域的重要實驗工具之一，而太陽能飛行器研究本身也將帶動關鍵問題的提出與解決，從而促進相關領域科學技術的巨大發展，這對于人類的現在和將來都具有十分重要的意義。

 

收稿日期：2008-11-11  修訂日期：2008-11-14

 

● 參考文獻

1. Thomas Young: Natural Philosopher，Alexander Wood，Cambridge 1954
2. The Strange Story of the Quantum，Banesh Hoffmann，Dover1959
3. The Construction of Modern Science，R.S.Westfall，Cambridge1977
4. Superstrings，A Theory of Everything? P.Davis & J.Brown，Cambridge1988
5. Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg，David Cassidy，Freeman 1992
6. Niels Bohr: Gentle Genius of Denmark，Spangenburg & Moser，Facts on File 1995
7. Quamtum Generation，Helge Kragh，Princeton1999
8. The Man Who Knew Too Much，Stephen Inwood，Macmilan 2002
9. Http://www.nobel.se/
10. 《新量子世界》[英]安東尼·黑帕特里克·沃爾特斯，2005  
11. 《太陽能無人駕駛勘測飛機》（李曉陽、趙庸，ZL94209702.5，1994，中國專利文獻)
12. 《無人駕駛太陽能航空器》（李曉陽，ZL01270983.2，2001，中國專利文獻)

 

 

作者簡介：李曉陽，航空工學博士，教授，中國太陽能動力飛行研究事業的主要開拓者，中國首架太陽能飛行器的設計制造者和中國第一項太陽能飛行器專利的主要發明人，現任珠海新概念航空航天器有限公司董事長暨總設計師，中國“綠色先鋒”太陽能飛行研究計劃首席專家。

 

推薦語：

地球從誕生到演化至今全賴太陽源源不斷的能量賜予，從這個意義上說，人類  所依賴的持久能源是太陽能，真正對陽光本質和太陽能利用的研究方興未艾。李曉陽博士這篇論文，在研究陽光本質與利用的現實、縱深和新穎性方面都有可能給我們啟發。

 

推薦人:

      趙　庸，著名飛機總體設計專家，教授，原北京航空航天大學飛機設計研究所副所長，中國太陽能動力飛行研究事業的開拓者之一。

      汪亞衛，著名航空系統工程專家，研究員，現任中國航空工業集團公司防務事業部總裁，中國太陽能動力飛行研究事業的開拓者之一。