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    《環球飛行》2014年 第10、12期  

     

     

     

    透視航空技術的“進步與需求”

    ——訪航空技術領域著名學者李曉陽博士

    《環球飛行》記者/ 袁新立

     

            在2014年第十屆珠海航展開幕前一天的航空航天高峰論壇上,珠海新概念航空航天器有限公司技術總監李曉陽博士圍繞變體飛艇的發展作了主題演講,演講中技術觀點之新,以及變體飛艇所潛在的巨大科研價值和市場價值,使變體飛艇迅速為眾多人所關注。為此,本刊記者在航展期間采訪了李曉陽博士,希望借機能了解他在航空前沿技術領域的最新動態。

     

     

    《環球飛行》:2014是適逢珠海航展第十屆盛會,您覺得它對中國航空航天業的發展有哪些促進作用?

    李曉陽:時光過得真快!1996首屆珠海航展閉幕那天,一望無際的車流從展館一直排到珠海市區的熱鬧情景,至今我還歷歷在目。我參加過珠海的每一屆航展,親眼見證了珠海航展從“廟會”逐步走向專業化、不斷發展變革而成為影響世界的航空航天業界盛會的艱難歷程。

            我沒有詳實的調研數據,因此難以具體評述珠海航展在促進中國航空航天事業方面諸多直接或間接的業績。但我認為,隨著中國經濟發展和國力的全面崛起,如今中國已成為全球最重要的航空航天市場之一。珠海航展在中國與世界各國航空航天業界商貿互動與技術交流方面,無疑發揮著越來越大的作用,不僅是各國航空航天產品進入中國市場的主要門戶,更是中國航空航天產品走向世界的直接通道。此外,珠海航展如今已成為國際航空航天技術和學術交流的主要樞紐之一,不斷促進著世界各國航空航天事業的合作互利和共同發展。

            當然,就像巴黎航展和范堡羅航展等航空航天大展那樣,珠海航展目前主要還是一個基于傳統會展經濟模式的、航空航天產品與技術的綜合交易平臺,同樣面臨如今資訊科技迅速發展、信息能瞬間傳遍世界所帶來的種種壓力。如何充分發揮新興電商所不能替代的、直觀和面對面商洽的傳統會展功能,揚長避短,不斷創造出新的商業模式來保持發展強勢,也是珠海航展需要持續關注和應對的新課題。

     

    《環球飛行》:作為業內著名學者,您認為航空技術未來發展的趨勢和關鍵領域有哪些?

    李曉陽:您所提的這個問題涉及范圍太廣了,遠超出我的知識面和想象力。航空技術未來的發展趨勢和關鍵領域具體是什么,眾說紛紜而難有統一觀點。

           我所從事的工作的確與航空航天技術密切相關,在我看來,航空技術的未來離不開基礎科學研究和應用技術創新這兩個層面。中近期內,基礎科學理論的發展主要是對流體運動特性及其規律的深入探討甚至重新認識、萬有引力與浮力的成因及其利用、飛行新方法及其實現技術、新能源獲取與增效等諸多方面;應用技術創新則主要是已有科學技術和工程方法的綜合重組與集成,例如人工智能與光機電一體化、材料科學和工藝技術創新、推進與控制模式創新、實時信息獲取與共享、運輸方法及其管理創新等等。

    美國私人高技術公司Space X 研制的運載火箭及“龍”飛船 

            航空技術是伴隨著人類社會進步和需求而逐步形成的,其未來的發展仍會遵循“進步與需求”這個規律,主要分為兩個方向:(1)現有科學理論技術和工業能力的持續優化應用;(2)更深入地了解人類所處的地球及宇宙空間,在探索發現和利用人類未知的大自然深層奧秘的基礎上,創造出能夠適應社會發展和人類生存資源變化需求的、空間運載的新方法與新技術。

     

    李曉陽領銜研制的臨近空間拓荒者2號近太空微型實驗室

     

            例如,雖然如今航空器品種型號多不勝數,但實質上只有兩類:輕于空氣航空器和重于空氣航空器。輕于空氣航空器具體是指基于阿基米德浮力定律、通過航空器本體排開空氣來獲得升力的航空器,如氣球和飛艇等;重于空氣航空器則是指基于伯努利定律和流體運動其他規律,利用機翼、旋翼和其他相關裝置與空氣相對運動來產生升力的航空器,如飛機、直升機和旋翼機等。因此,我們不難推測出航空技術未來兩個主要發展趨勢:一是沿用現有航空科學理論,重組已有的航空技術,使新型航空器各項技術指標不斷優化,運行和管理水平不斷提升;二是探索、發現和利用流體運動規律和浮力成因的更深層奧秘,研究新方法和新技術,創造出更適合人類進步需求的新概念航空器。這兩種發展并不矛盾,是良性互動的。

     

    《環球飛行》:您當前從事的研究主要有哪些方面?取得了怎樣的突破?

    李曉陽:能在空中自由翱翔是人類最古老和最美好的愿望之一,從兒時開始的、對藍天的向往和執著使得我逐步走進了空間探索的大門。如今我仍然是這個領域的愛好者和探索者,從事基礎科學研究和應用技術創新等具體工作。

            基礎科研是應用技術創新的前導,從目前太陽能飛機研制狀況可見一斑。受制于現有光伏發電原理和技術瓶頸,人類太陽能飛機目前難有突破性發展。我曾主持中國“綠色先鋒”太陽能動力飛行研究計劃,研究后期工作重點轉向對光本質和光運動規律方面的深層探索。因為,如果沒有新方法來提高近地空間單位面積太陽能收集和轉化利用效率,太陽能飛機就很難走向實用。研究中我發現了“光群場效應”現象,并在2008年發表了微觀環境下光本質的“光群場”科學理論。光群場論的要點是“光的波粒二象只是光群的行為表現而非光本質”、“相對于宇宙三維空間的容積,光速是遞減的變量,趨向無窮小且極限為零”?;诠馊簣鲂?、能顯著提高光伏發電效率的創新應用技術,2009年獲得中國、美國等國家和臺灣地區的發明專利,其工業化應用工作正在持續進行中。

              日益凸顯的地球非再生能源困境,給航空技術發展也帶來了變革壓力,“人類將來怎么飛”已成為航空航天領域十分重要的前沿探索目標。在飛行方法創新方面,仿生振翅飛行是我長期的研究實驗內容之一。2002年我們已經成功制造出“人工智能仿生機器蝴蝶”的系列工程樣機,2004年獲得中國專利。我們創造的仿生機器蝴蝶與現有各種航空航天器完全不同,其飛行原理、控制方法與自然界的蝶科昆蟲一樣,無須垂直安定面和方向舵,也沒有水平安定面和升降舵,完全由蝶翅的振頻、振幅、振角的自適組合變化來實現三維全向可控飛行,運動能耗遠低于現有各類航空航天器。此外,我們的仿生機器蝴蝶還具有垂直向運動不會出現過載、水平向抗風能力極強、任務載荷能力超過自重、能夠像昆蟲那樣瞬間任意改變飛行姿態等特性。研究中,我們還發現了流體運動尚不為人知的深層奧秘,這對進一步掌握和利用流體有著十分重要的意義。目前我們正在開展人類仿生翅膀的研制工作。

    李曉陽研制的仿生機器蝴蝶

     

           仿生機器壁虎不僅在自然災害救援、高樓救生、反恐等方面有重要的意義,在航天深空探測方面也有著廣闊的應用前景,例如月球、火星表面復雜地形與狹窄環境的探測采樣等。長期以來,各國科研人員大多認為“壁虎之所以能夠攀檐走壁,完全是壁虎腳與攀爬對象之間范德華力作用的結果”,因此紛紛致力于用納米材料來仿制壁虎腳剛毛并制造出各式各樣的機器壁虎。然而,這些機器壁虎只能在光滑的物體表面緩慢移動,需要外接動力能源,無法有效控制“強吸附”和“弱脫離”過程和運動方向,更不能倒立在天花板下迅速爬行,運動能力無法類比自然界壁虎。我們研究認為,人類之所以能夠走跑跳,絕非僅僅是因為人類有一雙腳。壁虎也一樣,“腳”只是生物測量傳感綜合分析運動系統的執行終端而已,僅研究和模仿壁虎的腳及其表面能力可能會是東施效顰。因此,我提出了與眾不同的仿生機器壁虎的創新科學理論及其實現技術,如今國際業界和公眾廣為知悉的中國仿生機器壁虎“神行者”,就是我們科研小組2008年之前的早期作品。有比較才能鑒別,“神行者”目前仍然是世界上唯一能夠全面體現自然界壁虎攀爬特性的人工智能機器壁虎。如今我們的研究工作已進入到更深的層面。

           雖然人類已經開始研究如何往返火星,但在臨近空間距地面20~50千米高度的平流層范圍,現有航空航天技術卻顯得無能為力。某些重于空氣航空器能夠勉強上升到這個空域,但不能維持在該空域的長航時飛行,航天器則只能“路過”而無法停留。高空氣球倒是能夠浮升到該空域的中下部,但氣球只能隨風飄蕩、浮沉而難以操縱。臨近空間可操縱飛行器能夠彌補空天一體化的作業縫隙,對人類有重大現實意義和深遠的歷史意義。因此,人們提出了無數構想來試圖解決這個世紀難題,輕于空氣、可操縱的“平流層飛艇”便是其中最有希望的典型代表。然而,人類研制“平流層飛艇”已有近50年的歷史,但至今世界上仍然沒有任何成功先例。

    變體空天飛艇

            我們發現了基于傳統飛艇原理的、各類“平流層飛艇”方案難以實現的共同原因,在大量的探索研究和技術實驗的基礎上,1992年我們提出了變體空天飛艇(Transformable Airship)的創新科學理論及其實現技術,并于2005年獲得中國和美國發明專利。變體空天飛艇的基本原理與傳統飛艇有著本質區別,其容積可變和始終保持可操縱性的合成艇體是一種革命性的創新,因不需承受大氣壓而化解了傳統飛艇難以逾越的種種技術瓶頸,能夠可操縱往返、運行在海平面至海拔3萬米空域范圍的任意高度。

          如今我們已經制造出多艘變體空天飛艇,并成功完成了變體空天飛艇驗證艇的中低空飛行測試,和部分系統往返近4萬米近太空的飛行測試,在實現平流層飛艇的艱難歷程中邁出了關鍵的一步。

            我個人認為,沒有基礎科學的支撐就不會有真正的應用技術創新。如果我們總是急于求成,只看結果而不關心科學理論的產生和形成技術的過程,熱衷于各種所謂“模仿式創新”和“解決有無重于創造”,那么,當我們的社會進入到必須由制造向創造轉型的歷史階段時,這種重技術、輕科學和“拿來主義”所導致的惡果,就會陸續浮現出來,表現為在應用技術上我們似乎不斷縮短了與科技發達國家的差距,而實質則是我們的創造力可能會越來越落后于時代。

     

        《環球飛行》:對于民營企業參與航空航天研究,您認為在科研模式、靈活性、參與機制方面,應該有哪些創新?對于政策方面的支持,您有哪些建議?

        李曉陽:您這個問題已經上升到國家科研政策創新的層面了,社會各界都仍在積極探討中,我的確難以一一作答。我自己感受是,現階段中國民營企業參與航空航天研究仍然是十分困難的。事實上,作為一個民營企業的科技工作者,我也曾無數次拷問過自己:為何要如此執著于航空航天領域?

            航空航天科研尤其是基礎科學研究,耗費大、周期長且見效慢,從經濟回報的角度來看大多可能會得不償失,我認為這才是民營企業鮮有自籌資金開展航空航天科研的主要原因。市場經濟規律、知識產權保護狀況等因素決定了民營企業的取舍,而不僅僅是政策方面的問題。

           中國正處于“以轉變發展方式為主線的第二次轉型與改革”階段,從要素推動走向創新推動,已成為中國經濟發展方式轉型的必由之路。在我看來,中國民營企業尤其是科技型企業中,蘊藏著巨大的創新潛力,是發展航空航天技術和新型經濟不可忽略的中堅力量之一。問題在于:應當采取什么有效和具體的措施,才能調動民營企業參與航空航天科研的積極性?

          我只能把這個十分復雜的問題還給您了。

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