复合飞翼高空长航时
仿生攀爬机器人与
垂直起落多旋翼飞行器
仿生振翅飞行器
“临近空间拓荒者”
临近空间变体飞艇
光本质、光运动规律新发现
商用超微型固定翼飞行器
仿生水下无声
低能耗大载荷
变体式深海潜艇
地表余热利用
集成式家用环保能源微电网
垃圾焚烧发电、火力发电尾气
高楼外墙清洗仿生攀爬机器人《前沿科学》2008年第4期
阳光，光群场和太阳能飞行器研究
◆李晓阳
（珠海新概念航空航天器有限公司）
摘要：传统能源稀缺已直接影响世界各国经济和人类生活，并已成为人类未来能否在地球上继续生存亟待解决的问题。由于地球能源中除核能、地热能与地球形成初期的状况有关外，一切已知的化学能量都是直接或间接来自太阳，因此人类所面临的能源困境，其实是太阳能量得失失衡的问题，其根源在于人类消耗能量的速度，已明显高于太阳能的直接或间接收集效率以及转化利用率。太阳能是目前人类主要的持久能源，要充分利用太阳能就必须进一步揭示阳光更深层的本质和运动规律，进而研制出可以高效收集和转化利用太阳能的新装置设备。本文简要讨论关于阳光的若干问题，提出“光群场”假设，和光微粒、子光群、光源常数、子光群分布密度、持久能源等新概念，并简述借助太阳能飞行器来研究太阳能的创新方法，和中国太阳能飞行器研制及其科学意义。
关键词：阳光、太阳能、光群场、光源常数、持久能源、太阳能飞行器
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.
前言与背景
20世纪以来，种种原因导致世界各国能源消耗量剧增，地球上的煤炭、石油等传统能源储量越来越少，能源状况已直接影响世界各国经济和人类现代生活，更成为未来人类能否继续在地球上生存的先决条件。处于能源变革压力中的人们寄希望于向地球和宇宙空间寻找替代能源，太阳能、风能、生物燃料、地热、海洋能和可控核聚变，以及海底天然气水合物“可燃冰”甚至宇宙间的暗物质暗能量等等，都是人们探索研究的目标。尽管这些探索研究大多还停留在实验阶段，但毕竟给人们带来了新的希望。
然而前述各种替代能源的获取方式，大多只是通过消耗某些能源来换取另一些能源，或者是利用廉价低密度能源来获得昂贵的高密度能源，其中一些方案还有可能导致地球环境恶化。例如用农作物茎块、果实等转化而来的生物燃料如乙醇、丁醇之类，其生产过程中必须消耗能量(催化剂所耗费的能量、蒸馏提纯时所耗费的能量等等)，这类生物燃料的净能量实质上是其他能量的转换或重新聚集。因此，即使把地球上所有可以转为生物燃料的农作物、植物全都用来生产燃料也不够人类所用，还可能会导致粮食危机。将碳氢化合物转化为烷烃化合物的各种生物能源方案，几乎都存在着类似的隐患。又如利用活性炭从海水中吸附提取氢同位素氘，然后将其用作氘-氚受控核聚变原料的方案，从原材料生成、活性炭生产到由海水中提取氘等过程都需要耗费很多能源。受控核聚变反应堆更是要保持摄氏几千万至几亿度的极高温，才能使核聚变持续进行，反应过程显然要耗费大量的能源。因此，即使人们已经充分掌握并可靠运用受控核聚变反应的相关技术，也仍然是用能源换能源。海水中的氘不太可能供人类长期提取，因为我们不可能再造一个大海来储存提取过氘的海水，还得把他们放回原来的大海中，这样海水中的氘浓度就会越来越低，再提取氘就会越来越困难乃至得不偿失了。当然，人类所有向大自然寻求新能源的尝试，只要不违反大自然规律、不破坏人类的生存环境，在力所能及的条件下都是值得努力去探索的。正因为有了这些探索我们才会知道可行与不可行，从而作出明智的取舍。
无论是现在或将来，显然只有太阳能的利用更具可行性并且符合大自然规律。地球能源中除核能、地热能与地球形成初期的状况有关外，一切已知的化学能量都是直接或间接来自太阳，因此人类所面临的能源困境，其实是太阳能量得失失衡的问题，其根源在于人类消耗能量的速度，已明显高于太阳能的直接或间接收集效率和转化利用率。根据现有太阳假说看人类将来，可能也只有太阳能够与人类长久同在，直到太阳最终因其能源耗尽、核聚变停止而坍缩成白矮星或其他天体为止。
显而易见，从根本上解决人类能源困境的方法，应当是加快揭示和掌握还不为人们所知的太阳、阳光和太阳能的更深层内幕，进一步完善太阳、阳光和太阳能以及其他光现象的本质与运动规律的科学理论，通过科学实验找出能不断提高单位面积太阳能利用率的更好方法，并将这些方法工业化来为人类服务。笔者认为，太阳、阳光本质与特性的真相应当还有更符合事实的解释与描述，阳光只是太阳能的一种表现形式而非全部。因此在本文中提出“光群场”假设，并简述借助太阳能飞行器来研究太阳能的创新方法，和与该方法相关的“翱翔者” 号、“绿色先锋Ι”太阳能飞行器。
1阳光、持久能源与光群场假设
1.1阳光和太阳能
相对于地球上的生命现象和生命集成体（生物）来说，太阳无疑是最重要的天体和生命之源，而阳光更是人类生活和生存最基本的要素。人类最早对阳光的研究始自何时如今已很难追溯，但从前人留下的记载来看，17世纪显然是人类对阳光以及其他光现象展开探索研究一个十分重要的时期。先是法国人费马（Pierre de Fermat）在前人发现的基础上，总结出光的折射定律并提出“光总是走最短路线”。不久，法国人伽森荻（Pierre Gassendi）和英国人牛顿（Isaac Newton）先后提出了光是由大量物质微粒组成的假设。到了17世纪末期，英国人虎克（Robert Hooke）和荷兰人惠更斯（Christiaan Huygens）又提出了光并非物质微粒而是一种波动现象的主张……之后，围绕光的本质和运动规律等问题，人们还提出了电磁波说、光量子说、波粒二象理论互容等假设，并通过各种方式的相关实验来加以验证，更展开了长达数百年的激烈论辩。时至今日，光理论和光利用科学无疑已成为当代科学技术的主要基石之一，但关于太阳、阳光以及其他光现象至今仍有许多未解之谜，例如“微观环境下光本质究竟是什么？”、“光的微观运动是否真没有明确规律可循？”这些最基本的议题，仍在广泛地探索研究和反复讨论之中。光的研究也因与其他学科相互交叉和相互渗透，衍生了许多更为复杂的边缘科学问题。不过，前人的各种主张和反复的论辩，促进了人们对光尤其是阳光和太阳能的持续深入了解，使得光的各种特性在人们的生活中发挥了越来越重要的作用。
笔者认为，虽然阳光与太阳能两者之间密不可分，但两者性质明显不同，阳光是太阳能的局部而非全部，这一观点将在下文中讨论。此外，太阳能应当区分为“广义太阳能”（Generalized solar energy）和“狭义太阳能”（Specialized solar energy）。广义太阳能是指太阳产生的所有能量，而狭义太阳能则是指目前人类能够利用的、通过阳光和其他形式传递到地球的太阳能，即人们平常泛指的太阳能。正确认识和区分太阳能是十分重要的，因为人们不仅要思考和实施如何更有效的收集和利用来到地球的太阳能，还应当探索研究太阳其他已知或未知能量的成因、消耗去向等规律，为人类的将来开拓更为广阔的能源空间。
1.2 持久能源
历史记载表明，人类是从被动接受阳光逐步转变为主动探讨太阳、阳光和如何利用太阳能的。如果人们通过长期研究而形成的太阳假说与人们对太阳能来源的认识是正确的，那么把太阳能定义为“可再生能源”就是错误的，因为太阳能不可“再生”，目前也没有发现太阳重新获得氢元素的渠道。根据现有太阳假说，太阳能来源于太阳内部氢聚变为氦的热核反应，这个过程的宏观表现是太阳持续向宇宙空间发出光和热。如果热力学第二定律是正确的，那么太阳内部的热核反应显然不可逆转。也就是说，已经转化为太阳能的氢能，不太可能重新回到太阳内部还原为氢。所以太阳内部的热核反应原料氢不可再生，会因越耗越少而最终耗尽。反观与太阳能一同被定义为“可再生能源”的地球风能、水能、生物质能等物理或化学能量，都是因太阳能作用而产生的次生能量，与太阳能是因果关系而非平行关系，只有当太阳存在并保持足够的光和热时，这些能量才可能在太阳能的作用下重复产生（再生）。
笔者认为，太阳能的准确定义应当是“可持久利用能源”，简单表述为“持久能源”（Lasting energy）。符合持久能源定义的地球能源，还包括地球与其他天体相互作用而产生的潮汐能、以及来自地球内部的地热能、核能。这里所述的“持久”，是相对于太阳、地球以及能与地球互动的其他天体的假定寿命周期而定义。
1.3 “光群场”假设
1.3.1研究物质世界的方法简论
从科学发展观看人类认识物质世界的历史，我们不难发现过去和现在的一些方法有明显的局限性，尤其表现在对微观世界物质状态和行为的描述方面。例如量子力学描述光的波粒二象表现，主要是依据统计学和概率理论以及所谓波函数的统计诠释，这些方法只是对微观世界的看法和数理逻辑推理分析，没有任何证据显示微观世界事物真相的确如此。显然，我们仅仅用数理逻辑关系来推定微观世界真实物质的状况是不足够的，这也是目前人类对光本质和运动规律的认识难有根本性突破的原因。如果我们要继续探索物质的微观世界，就必须寻求新的方法来接近和揭示事物真相，而不能只是停留在数理逻辑推理的局限上和人们的自由想象之中。
在宏观物质运动研究方面也有诸多与上述类似的情况。例如描述太阳能与电能转换、势能与动能转换等能量转化关系的热力学第一定律（能量转换和守恒定律），人们预先假设各种能量之间的转换关系和参与条件，然后通过实验来检验这些转换关系与条件。而对于能量转化过程中的一些“不确定”或者“测不准”因素，例如加热时从外界获得的能量值或因热辐射逃逸损失的能量值等等，因无法观测其微观环境下的真实状况或难于收集计算，只能在宏观上用预设的数学关系来推测其量。这样的假设，实质上并不能证明能量转化过程的真实环境中的确发生了什么，也不能证明所有相关能量的转化都是守恒的。在这种基于数学量守恒前提的预设下，热力学第一定律能够成立并且一直沿用至今就不足为奇了。由于能量转化过程中许多真实情况因无法测定而尚不为人所知，因此我们必须重新审视“能量守恒”这块物理学大厦基石本身是否也能守恒。
在受认识与条件所限、因“测不准”而对微观世界用数理逻辑方法推测出种种“不确定性”的现阶段，尽管“科学的主要目的是以最少数的假设，用合理的逻辑来解释最广泛的实验结果”已成为科学研究领域的主流共识，我们仍然不能因某些理论学说对微观世界的描述得到学界广泛认同，而放弃对事物真相的继续探索。因为，唯心主义的主观意识可能会使我们对微观世界的认识不断模糊化，其结果将是导致我们因无法了解真实的物质世界而走入歧途。
人类社会各个阶段对所处世界的认识总是有其历史局限性的，例如前人对月球的想象和描述就与我们今天对真实月球的初步了解截然不同，火星更是如此。也许我们不必将目前条件下无法直观测量的微观世界想象和描述得如此神奇以致“无人能懂”，更不该将只是依据数理逻辑推理来描述的微观环境当成真实的世界。我们应当对人类身处的客观环境给予更多关注，这有利于宏观与微观世界探索研究之间的良性互动，使我们能够回复本真，不断地接近真实的世界。
笔者的研究工作涉及光合作用机理、光科学与太阳能利用、量子技术和航空航天等科学领域，长期的工作实践使得笔者更多地关注阳光、太阳能和其他光现象，以及前人在该领域所累积的研究成果。通过长期观测、进行各种相关实验和比较分析，笔者认为阳光和太阳能以及其他光现象应当还有更接近真相的解释。因此，笔者提出关于这些讨论的全新观点—“光群场”（Light group field）假设。限于篇幅，本文仅列出光群场假设要点和相关的概念。关于光群场假设的深入讨论，将在本文的后续文中阐述。
1.3.2光群场假设及其要点
光群场的基本定义是：光源产生的光微粒构成子光群并组成光群，子光群间的作用力使得光群趋向释放这些作用力，表现为光群向光源所在的三维空间扩散；光群、光源点与光群所能到达的空间所构成的三维区域，称为光群场。光群场的抽象表述如图1和图2所示。
广义的光群场还包括因光群与其他物质、其他光源相互作用而产生的“次生光群场”（Secondary light group field）、“复合光群场”（Composite light group field）等多种类型。次生光群场是指光源作用于其他物质（例如反射、折射、漫射、衍射、光电效应等）而产生的光现象；复合光群场则是指两个或多个光源所产生光群场之间相互作用而产生的光现象。
由光源产生的光群场，其特征和主要物理状态如下：
（1）、光群场由三维空间、光群（Light group）组成。光群由子光群（Light particles subgroup）组成，子光群则由光微粒（Minor points）组成。光群不能脱离三维空间而独立存在。
（2）、光群总体特征原态的最小表现单位是子光群，每个子光群都是由多种光微粒组成。子光群呈微粒态，由更细小的微粒按一定规律构成。同一光群中，各子光群所包含的光微粒种类和同种光微粒的数量都相同，因此各子光群特征都相同。子光群之间有原生相互作用力，该作用力是子光群之间以一定规则相互联系的媒介和光群脱离光源的主要能量来源。此外，该作用力也是导致宏观状态下自然光总是均匀分布和“光总是走直线”的根本原因。
（3）、子光群中，光微粒的种类、同种光微粒的数量和各种光微粒的原生特性，由参加光源化学或物理反应物质的种类、数量与量值比例、影响该光源反应过程的外界条件等因素所决定。光微粒的原生特性，是导致光微粒形成子光群、和子光群之间有相互作用力的原因，也是子光群与其他粒子态物质作用时产生特定效应的原因。光源以一定频率产生光微粒，因此单位时间内光源产生的子光群数量相同。不同光源单位时间内产生光微粒的数量和种类不同。
（4）、子光群呈原生波动态。不同光源所产生的子光群其原生波动特性不同，由光源内部（或表面）的化学或物理变化、反应过程的外界条件给定。因此，唯一光源构成的光群场，其任意点的光谱表现都相同。当光群或子光群受外界条件影响，例如通过色散装置（如棱镜、光栅等）时，子光群的原生波动特性会因被分频（分光）而表现出来。
（5）、子光群具有粒子态特征，该特征与组成子光群的各种光微粒有关。子光群的粒子态特征在其作用对象也呈粒子态时会表现出来（例如光电效应）。
（6）、处于光群场中的光群，因其子光群之间的相互作用力而相对于光源形成密度递减的传播媒介（光群介质），光群因自成传播媒介、传递光源的振频和光压等而具有次生波动态。子光群的原生波动和光群的次生波动导致光群表现出波动性。
（7）、子光群是传递光源能量的主要载体，光群中不同光微粒传递能量的表征和效率不同。此外，由光群组成的光群场本身也是传递光源频率、光压和能量的介质之一。
（8）、可见光的亮度取决于光群场中的“子光群分布密度”（Light particles subgroup of distribution density），不可见光也遵循这一规律。理想光群场任一单位区域中，子光群分布密度与光源点的子光群分布密度成正比，与该区域到光源点距离的三次方成反比。
关系式表述为：
式中，
为该区域的子光群分布密度，
为光源点的子光群分布密度，
为该区域到光源点的距离，当为零时，子光群不存在；当趋向无穷大时，光群场中的子光群数量趋向于零。
为“光源常数”（Light sources constant）。光源常数是表明光源物质发光特性和光群运动规律的重要参数，取决于光源物质的固有成份、参与反应过程的相关条件、所产生的光微粒种类与子光群中各种光微粒的组合状态。自然界中所有在一定条件下能成为光源的物质，都有一个与该物质对应的光源常数，各种物质的光源常数可由相关实验测定。
子光群分布密度是体现光群状态的重要指标，也是解释自然界各种光现象的基本依据。光源点表面的子光群分布密度，由光源物质的物理和化学性质、光反应条件、单位时间中光源点单位容积内所产生的子光群数量决定。不同物质产生的光源，其光源点的子光群分布密度不同，可由相关实验测定。
综合上述，本文提出的光群场假设与经典物理、量子物理相关理论以及其他光理论的关键不同点在于：
（1）、光群场假设认为：光并非只由单个光子（或称光量子）组成，而是由多种不同特征的光微粒按一定规律组成微粒态子光群并形成光群，光群即物理学泛指的光。子光群是光源特性的载体，表现其光源的所有特征。光群不能脱离光群场而单独存在。
（2）、光群场假设认为：光的波粒二象表现并非不确定的概率事件，而是确定和遵循一定规律的。光的粒子态表现是由于构成光群的子光群本身呈粒子态；光的波动性表现则是因子光群具有的原生波动性和光群的次生波动性共同作用所致。因此，光群（即“光”）始终呈波动态，光群只有在与呈粒子态的某些物质产生相互作用时，才会局部表现出粒子态。不同光源产生的光，其粒子性与波动性表现不同。
（3）、光群场假设的子光群分布密度和光源常数等相关概念，可以合理解释并且量化自然界中的所有光现象。
（4）、以光源所在宇宙空间的容积作为参考系，随着光群的运动，子光群分布密度趋向无穷小，故光群趋向消失。由于光速不可能脱离光群而独立存在，因此，相对于光源所在宇宙空间的容积，光速是递减的变量，趋向无穷小。也就是说，光速是否可变与所选择的参考系有关，与时间无关。
光群场假设可以更合理地解释自然界的各种光现象，试举几例如下：
光群场假设所提出的子光群分布密度概念，可以很好地解释在大自然环境中，为什么我们离光源越近感知的可见光亮度越大，而离光源越远则感觉亮度越小。我们时常听到某某天文望远镜在遥远的天际又发现了某某星球的报导，那么为什么前人没看到这些确实存在着的天体呢？用光群场假设的子光群分布密度概念就能简明回答这个问题：由于地球距这些星球十分遥远，这些星球的光群（自为光源或者反射其他光源的光）扩散到地球时，其子光群在地球附近空间的分布密度几乎为零，不能引起人类的视觉感知系统的反应。当我们用高倍率的天文望远镜看向这些星球时，相当于将人类的视觉感知系统移近到这些星球光群场子光群分布密度较大的区域，因此我们就能看到这些星球。如果要更清晰地看到这些星球，就必须将视觉感知系统进一步移近目标，即移到光群场中子光群分布密度更大的区域。通俗地说就是，望远镜的倍率越大、看得越远就越能辨清目标。根据光群场假设，由于子光群携带光源的特征，所以我们不但可以看到星球的形状、颜色等基本形态，还可以通过光谱分析来全面解读该星球。
日常生活中人们都有这样的体验，一个物体离自己越远就越感觉模糊、看不清楚，其原因在于：人类的视觉感知系统和视力有别只是其中一个相对不变的因素，最主要的原因是离物体越远则该物体光群场的子光群分布密度越小，因此无法在我们的视觉感知系统构成高密度的图像，以致我们无法辨别目标。当我们逐步走近该物体的时候，实际上是逐步进入该物体光群场中子光群分布密度越来越大的区域，于是分辨这个物体就可以越来越清楚。这种情况有点类似平面图片的解析度，解析度越小看起来越像“马赛克”，而图片的解析度越大则越清晰。
光群场的子光群概念还能说明为什么离目标无论多远，只要我们借助的望远镜没有色散问题，就能够看清目标的全部形态特征。形象地比喻，子光群就像是携带了母体全部特征的遗传基因，表现出目标的全部形态特征。因此距离只会影响我们能否看清目标，而不会影响我们对目标特征的判断。
笔者研究发现，光源产生光群后，光群自身构成按特定规律运动的物质，这些运动规律宏观和微观上除了受光源的影响和制约外，还有不受光源影响和制约的其他重要因素。科学实验表明，光群场假设有可能对我们身处的宏观、微观世界作出更全面和更合理的解释，各种光现象规律能够建立起更接近真实世界的数学关系。光群场假设还有可能揭示阳光、太阳能的更深层内幕，根据“光群场效应”（Light group field effect），有可能得出在地面上利用太阳能的更好方法。微观上，光群场假设有助于从新的角度进一步认识物质世界的真实状态。
笔者声明：光群场假设及其相关概念的中、英文名词和数学关系式等，全部为笔者原创，在本文中首次发表。
2太阳能飞行器
2.1 阳光和太阳能研究的一种创新方法
地球大气层对人类的长久生存是各有利弊的，正是大气层降低了太阳辐射的损害，地球有生命的万物才得以长久生存和繁衍。但从太阳能利用的角度来看，人们在地面上收集、储存太阳能的效率显然被大气层显著降低了。人类开始寻求解决矛盾的方法，并提出了一些相关设想和实施方案，例如美国人20世纪60年代提出的、在地球同步轨道上建立太阳能发电站的设想。地面上和在地球同步轨道上利用太阳能发电有本质不同，因为两处太阳能的能量密度有巨大差别。地面环境除了大气层极大降低了太阳能密度以外，气候和气象变化也会严重影响太阳能的收集。从粗略的估算分析可知，地球绕太阳公转一周，仅穿过围绕地球赤道（对地高度约200公里）1公里宽环状带区域的太阳能，就约相当于地球目前已探明的石油能量总和。因此如果能在太空建立某种平台收集太阳能来发电，并通过无线输电技术将电能传输回地面，将会有效地缓解人类的能源困境。以20世纪60年代的科技水平，在地球同步轨道上建立大面积平台来收集太阳能的设想显然是遥不可及的。不过，最终能为人类服务的所有的科学技术成果，大多是从极难实现的设想开始的。人们朝向这方面的努力仍在持续进行，相关的科学研究和技术实验也越来越多，关键技术日趋成熟。预计不久的将来，人们在一定程度上能够将设想变成现实。
北京航空航天大学（简称北航）的科技人员，在1989年提出了太阳能高空长航时飞行器构想，并展开了相关的基础科学研究。根据当时的条件，北航相关科技人员将研究内容设定在两个相互关联的方向：（1）设计制造一架太阳能飞行器技术验证机来作为实验床，建立和逐步完善太阳能飞行器的科学理论和制造技术，为进一步研制实用的太阳能飞行器打下基础。（2）用太阳能无人飞行器来作为大气各层太阳能研究的实验床，研制各种微小型的相关测试记录仪器并用太阳能飞行器带上高空，以测试不同空气密度、不同气象条件、不同季节、不同地理位置等条件下，阳光的运动特性和太阳能的各项指标。这些工作需要长时间的重复进行和反复比对，才有可能获得相对可靠的实验数据。
迄今为止，人们研究阳光、太阳能的工作几乎都是在地面环境中进行的。因此，相对于地球到太阳的距离，可以近似地看成人们只是在同一个点开展研究工作，无法从垂直方向不同的位置来研究阳光和太阳能以作出比较。此外，地球大气层与阳光、太阳能的相互作用，也导致人们难于更深入地揭示事物更深层的本质与运动规律。即使有条件借助先进的实验设备在地面模拟大气各层环境来研究阳光和太阳能，其结果显然也难与在真实环境中的得出的研究结果相比拟。目前常规飞行器升限很难到达对流层上部这样的高度，升到平流层则更为困难，而且造价与使用成本也都很昂贵。太阳能飞行器由于能够在空气稀薄环境中长时间低速飞行，相当于以极低的成本将以往只能在地面进行的阳光和太阳能实验，提升到对流层上部、平流层甚至近地空间，并能以极低的成本长期获取太阳能的各方面资料。
太阳能飞行器还有可能作为地球大气更高层探测装置的廉价二次发射平台，从平台发射微小型亚太空或太空探测器来收集大气最上层近太空区域的阳光状况和太阳能资料，以及执行其他探测任务。这种方法的经济效益远高于地球轨道、亚轨道人造卫星或空间站。太阳能飞行器应用于阳光和太阳能研究如图3所示。
人们常常将科学与技术分成两个不同的领域和方向，故长期以来，人们对太阳、阳光和其他光现象的理论研究，大多与相关应用技术研究相脱离。这种状况使得该领域研究在理论上难有新的发现，而应用技术的发展也举步为艰。由于现代科学与技术的交互渗透，诸多领域已难分清其科学与技术的界限，太阳能研究利用领域也是如此。将太阳能飞行器应用于阳光和太阳能研究，是一种将理论研究与应用技术研究相结合，形成良性互动的创新方法。
2.2 太阳能飞行器
太阳能飞行器是指以阳光、太阳能以及太阳本身可能存在的其他能量来作为动力和工作能源的飞行器。以太阳能作为未来航空航天器的辅助能源乃至主能源，是人类具有方向性和前沿性的重要研究目标。20世纪中期以来，太阳能飞行器研究已经成为世界航空航天业重点发展的新兴领域。其原因主要有如下两个方面：（1）如上文所述，人们需要向地球以外的空间寻求持久能源和洁净能源，以缓解越来越严重的能源困境和保护地球环境。（2）社会发展使得人类对飞行器的航高、续航力等要求越来越高，而吸气式发动机飞行器无法在空气稀薄的高空运动，航高受到限制；飞机爬升到高空也因需要耗费大量燃料而限制了续航力。太阳能飞行器翼载荷可以设计得很小，因此能在低密度空气环境中飞行。同时，太阳能飞行器利用太阳能作为主要动力源，飞得越高采光集能效益越好，因此理论上可以不受上述限制。
太阳能飞行器是非常复杂的当代科学技术集成体，他不仅像常规飞行器一样，需要解决材料与结构、重量与可靠性、气动和控制等方面的诸多问题，还需要解决目标指向高空应用的太阳能电池、螺旋桨推进系统、热交换和能量储存装置以及各种测量传感系统等相关技术难题。太阳能飞行器理论上可以在空中相对长久飞行（例如几个月甚至更长时间），这种优势使太阳能飞行器有可能用来替代低轨道卫星的部分功能，执行国防任务或作为民事用途。
目前世界上还没有实用的太阳能飞行器，各国相关的科学研究正在持续进行中。
2.3 “翱翔者”号太阳能飞行器
“翱翔者”号太阳能飞行器，是北京航空航天大学一个科研小组在1992年设计制造的，该机是中国有记载的第一架太阳能飞行器，所涉及的相关技术也获得国家专利局发出的、中国第一项太阳能飞行器专利权（ZL94209702.5，1994.10.30，China）。
“翱翔者”号太阳能飞行器的构造和主要性能数据如图4所示。该机机体和机翼采用碳纤（Carbon Fiber）和凯夫拉（Kevlar）、轻木等材料用手工制造，机翼设置翼尖小翼，以扩大翼展和降低诱导阻力，提高飞行性能。上翼面和水平尾翼能够利用的面积，都用交互布阵法铺设和连接单晶硅太阳能电池薄片。这些太阳能电池薄片极易碎裂，因此上翼表面与太阳能电池之间设有GPPS薄膜的缓冲层。该机采用一组特制的镍氢电池组储存太阳能电池获得的电能，并作为中间交换器来为配有减速装置的低速螺旋桨推进器提供电力。该机用望远镜配合人工目视操作来进行飞行控制操作，飞控设备为改良的Ftb.1024。为了减轻重量，该机用人手投掷起飞，回收用滑橇式降落架。受当时的条件所限，“翱翔者”号只有极小的任务载荷能力。
经过大量实验和反复优化改良，“翱翔者”号于1994年8月在华北地区开展相关科学实验工作，主要验证不同光照、不同海拔高度条件下“翱翔者”号的结构强度、气动特性、操纵性、光电转换效率和辅助储能装置性能、续航力、太阳能电池布阵效益，以及复杂气象条件下的各项性能指标变化规律等。实验获得成功并达至预期的目标（图5）。
“翱翔者”号把阳光和太阳能研究以极低的成本提升到空中，其科学意义还包括通过技术/工程验证机的研制与相关实验，能够发现太阳能飞行器关键技术问题和利于找出解决问题的方法，为进一步研制实用的太阳能飞行器建立理论基础和累积工程实践经验。这种先研制缩比验证机再研制全尺寸太阳能飞机的方法，有利于显著降低科研经费、缩短研制周期。
2.4 “绿色先锋Ι”太阳能飞行器
第四届中国国际航空航天博览会新闻发布会对外公布中国“绿色先锋”太阳能飞行研究计划，该计划目标是结合一种特殊型式的太阳能飞行器研制，系统地研究与太阳能飞行器相关的科学问题，为持续发展中国太阳能动力飞行探索研究事业建立更全面的科学技术基础。该计划由珠海新概念航空航天器有限公司、中国航空工业发展研究中心、中国航天空气动力技术研究院联合实施。
现有空气动力学理论和经验公式、常规飞行器普遍采用的计算方法，并不适用于太阳能飞行器，因此必须另辟蹊径。“绿色先锋Ι”采用了复合飞翼气动布局（图6），布局和结构新颖合理，在尽可能减轻全机重量又保障结构强度的前提下，有更大的机翼采光面积。全机上、下翼面设置高转化率的柔性太阳能电池阵列来作为动力和控制、任务设备能源采集器。以利于全方位采集太阳能（例如直射光和侧射光、云层和地面反射的阳光等），显著提高太阳能的利用率。复合飞翼气动布局源于20世纪90年代欧洲提出的“连翼机”设想，而“绿色先锋Ι”太阳能飞行器则首先在世界上实现了工程意义上的突破和创新。由于“绿色先锋Ι”在具体结构上与欧洲的“连翼机”设想有本质不同，因此获得相关技术的国家专利权（ZL01270983.2，2002.8.21，China）。“绿色先锋Ι”的风洞实验和外场飞行实验证明，相对于各国现有的太阳能飞行器总体形式来看，中国的复合飞翼方案更具优势，例如在同等机体重量的条件下有更大范围的采光面积，在对流层下部气流多变的环境中飞行时，有更好的安定性和操纵性等。
太阳能飞行器理论上可以长久地在预定空间飞行。白天飞行时所采集的太阳能转化为电能后，一部分经中间装置为飞行器螺旋桨推进器提供电力，另一部分则用于电解飞行器水仓中的水以生成氢气。这些氢气通过氢燃料电池转化为电能并储存在机载储电装置中，为飞行器的夜间飞行和任务设备工作提供能源。由于燃料电池生成的水输回上述水仓中循环利用，因此飞行器的重量不会发生超限变化，这是太阳能飞行器能长久留空的主要条件之一。资料显示，借助高能重比储电池，英国研制的太阳能飞行器在2008年已能够日夜持续飞行近90小时，但在现阶段科学技术条件下，太阳能飞行器要实现更长久地飞行还有诸多技术难题需要解决。
“绿色先锋Ι”太阳能飞行器的构造、主要性能和系统组成如图7、图8所示。该机从2004年夏季起在华南地区试飞和开展相关科学实验工作（图9），在光电转化效率提升、光机电一体化技术应用、燃料电池热交换系统技术等方面都取得长足进步。实验证明，在一定条件下人类已能实现完全依靠太阳能来飞行。在不久的将来，太阳能飞行器有可能成为新型的运载工具、高空科学实验平台和通信中继平台（图10）等来为人类服务。
3 结束语
前人对太阳、阳光、太阳能以及其他光现象探索研究已经有了大量成果，但人类在这方面的工作还远无止境。日益凸显的地球能源困境，令该领域工作已超出我们当代人承前启后的历史责任范畴，明显指向人类将来还能否在地球上持续生存的重大问题。社会进步和现代科学技术的发展，使得我们当代人对太阳、阳光、太阳能以及其他光现象的深入探讨不仅有了急切的必要，也有了实施的可能。问题在于：我们应当如何去发现这个领域尚不为人类所知的事物？我们还有什么更多更好的科学方法来配合与促进该领域的工作？太阳能飞行器有可能成为人们在该领域的重要实验工具之一，而太阳能飞行器研究本身也将带动关键问题的提出与解决，从而促进相关领域科学技术的巨大发展，这对于人类的现在和将来都具有十分重要的意义。
收稿日期：2008-11-11 修订日期：2008-11-14
● 参考文献
作者简介：李晓阳，航空工学博士，教授，中国太阳能动力飞行研究事业的主要开拓者，中国首架太阳能飞行器的设计制造者和中国第一项太阳能飞行器专利的主要发明人，现任珠海新概念航空航天器有限公司董事长暨总设计师，中国“绿色先锋”太阳能飞行研究计划首席专家。
推荐语：
地球从诞生到演化至今全赖太阳源源不断的能量赐予，从这个意义上说，人类 所依赖的持久能源是太阳能，真正对阳光本质和太阳能利用的研究方兴未艾。李晓阳博士这篇论文，在研究阳光本质与利用的现实、纵深和新颖性方面都有可能给我们启发。
推荐人:
赵 庸，著名飞机总体设计专家，教授，原北京航空航天大学飞机设计研究所副所长，中国太阳能动力飞行研究事业的开拓者之一。
汪亚卫，著名航空系统工程专家，研究员，现任中国航空工业集团公司防务事业部总裁，中国太阳能动力飞行研究事业的开拓者之一。
粤公网安备 44049002000305号
