神奇的微波驱动飞机

自从莱特兄弟发明动力飞机以来，以燃油作为能源一直是航空器发展的主流。然而，随着能源短缺、油价上涨等问题的日益加剧，以及节能、环保等理念的不断深入，利用太阳能、氢能、电能等新能源为动力的飞机层出不穷。近些年来，用微波作为驱动力的新型飞机已经出现在加拿大、美国、日本等发达国家。

　　

　　发展历史

　　

　　加拿大是发展微波动力飞机最早的国家。1978年10月，加拿大科学家就设计了一种高空无人驾驶飞机。它的机翼展长为4.57米，双翼呈V字形往上翘。机体后面装了一个大圆盘。在大圆盘和机翼上，装着一层薄薄的半导体硅整流二极管，类似太阳能飞机上的光电管。这是最早的微波飞机，其用途是准备作为微波通讯的中继站。

　　1987年9月，另一架无人驾驶的微波飞机在加拿大渥太华郊外的机场成功升空，它在蔚蓝的高空持续飞行了20分钟。这架飞机的能量来自于安装在飞机下面的圆盘天线，地面上的发射机将电能转化为微波输送到天空，飞机接收之后，再将其转化为电能，驱动螺旋桨进行飞行。

　　此后不久，美国也成功研制出一种无人驾驶的空中微波监察飞行器。它以地面微波发射站发射的2兆瓦微波作为电源。当飞机上的接收器将接收到的微波转换成电能后，就可以供给电动机使用。飞机的飞行高度可以达到2万米，能够在空中停留90分钟。

　　20世纪80年代末，美国人又设计出了一款名为“阿波罗”号的喷气式轻型微波飞机。这种飞机以微波作动力，不过它上面装的是喷气式发动机。微波能转化为热能后，驱动发动机工作。这是一架有人驾驶飞机，可以爬高到1.2万米的高空。

　　1991年，美国和加拿大科学家联手建立了一座技术先进的地面微波站。这里有世界上功率最大的微波发射天线，可以将微波发射到几万米高的空间。飞机在飞行中利用该站点微波供给的能量，可以在距离地面2万米的高空中连续飞行3个月。

　　2000年6月，美国科学家再次利用微波将一小型飞行器成功送入太空，这标志着人类利用微波能量取得突破性进展。

　　和美国、加拿大相比，日本的微波飞机发展较晚。但经过20多年的努力，目前，日本在微波飞机研发方面已和美国、加拿大形成鼎足之势。日本科学家不仅已经研制出了性能极为先进的微波动力飞机，而且他们通过最新的半导体和相控阵天线自动定向技术，能够使微波传送得更远、定向精度更高。同时，他们还设计出了控制起来非常灵活的发射天线装置，该装置能巧妙地减少机械移动，特别适合飞机移动中的微波传送。

　　更为难得的是，近来，日本科学家还发明了

　　“微波火箭”。该火箭的发动机利用微波快速加热空气，产生爆炸效应，进而推动火箭升空，它的推力极为强劲。当然，这种发动机的推进原理也有望移植于飞机上。

　　

　　驱动原理

　　

　　微波是一种波长较短的无线电波，它有以下三大特点：第一，它可以聚集成一个很窄的波束，定向向外界发射，这就为远距离使用无线电波的能量提供了可能。第二，微波辐射可以在短时间内对许多物质进行加热，甚至可以使一些有机物之间的化学反应速度提高上千倍。第三，根据相对论原理，微波照射在物体表面会形成微弱的辐射压力。

　　基于上述三种特性，目前的微波飞机相应形成了三种设计方案。第一种方案是针对螺旋桨飞机的。这种飞机上装有半导体整流设备，它可以把地面射来的微波能转变为直流电，直流电带动电动机，最终由电动机带动螺旋桨旋转。这种方案的可行性已经在实践中多次得到验证，并在当前的微波飞机设计中占主流。该方案的巨大成功很大程度上归功于现有的微波能量传输技术。这里，所谓的“微波能量传输”，指的是通过硅整流二极管天线接收远处微波束的辐射，并将微波转换成电能的无线能量传输方式。这种远程的能量传输效率很高，可以达到95％以上。目前的绝大多数微波飞机都属于此类。

　　第二种方案是喷气飞机。其基本思路为：飞机利用微波直接加热喷气发动机中的压缩空气或其他工作介质，经过加热的工作介质从尾喷管高速喷出，从而使飞机得到相应的推力。这种微波喷气式飞机的研制主要集中于美国，已初步取得成功。显然，该类飞机利用了微波的第二种特性。

　　除了上述两种方案外，利用微波辐射压力作为动力的飞机也正被引入概念设计阶段。微波辐射压力飞机的设计思路来源于英国科学家肖耶的“无活动部件引擎”。在肖耶的工作室里，他曾向大家展示他所设计的一种新型引擎模型。该模型由微波产生器、密闭的金属圆筒、装有冷却’剂的导管以及电源线组成，没有活动部件，也不需要燃料。微波产生器发出的微波被导进圆筒后，在传播过程中会对圆筒内壁产生微弱的辐射压。根据微波的波长制造容积合适的圆筒，形成共鸣腔，这时的圆筒就变成了一个巨大的“能量箱”。由于圆筒被制作成“一端大一端小”的形状，圆筒两端就会产生微波辐射的压力差，这种压力差就是飞机推力的来源。由于种种技术问题，基于肖耶“无活动部件引擎”的微波辐射动力飞机目前还仅仅处于概念设计和试制阶段，尽管此种飞机已经表现出了极好的发展前景。

　　

　　微波飞机的优点及面临的问题

　　

　　人们研究在飞机中使用微波技术的主要目的之一是为了结束飞机载油的历史。由于无需携带燃料，飞机的有效载荷将会因此得到大幅提升。

　　微波飞机还可以克服目前燃油飞机停飞加油时间过长的缺点，航时有望显著延长。在微波飞机的飞行过程中，人们只要在地面上每隔几百千米设立一个微波发送站，就可以使微波飞机不用着陆、不用加油，持续不断地飞行。

　　基于以上优点，微波飞机被认为可以用作微波通讯的中继站，代替通信卫星；它还可以进行高空侦察、环境监控，用来拍摄地面交通状况，监控农作物、森林情况，或是用来采集大气中二氧化碳的浓度等。

　　尽管有着诸多优点，但微波飞机要想取代燃油飞机，仍要面临很多重大的技术难题。

　　首先，这种飞机的造价很高，地面微波发射设备需要很大的功率；为了使飞机能得到足够的动力和较大的飞行范围，必须设置一系列的微波发射站；通过定向天线，发射站发出的微波被集中于一处；对准飞机发射；随着飞机的飞行，地面定向发射天线也要跟着飞机一起运动，以便微波能可以持续不断地集中到移动的飞机上。为了解决发射天线的同步运动这一难题，有人曾提出利用空间太阳能发电站来持续为微波飞机提供能量的设想。这个设想的基本思路是：在大气层外通过卫星收集太阳能发电，然后将电能转化为微波能量，并无线传输给微波飞机。这是一个非常有意义的设想。然而，以目前的科技水平，建立空间太阳能发电站仍需要漫长的时间。

　　其次，微波飞机的微波接收与电能转化装置极为复杂，较为“笨重”，飞机的载重仍有待提高。

　　总之，和常规的燃油飞机相比，微波飞机的各项技术仍很不成熟，其发展任重道远。