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太阳能飞机何去何从?

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发表于 2015-3-16 14:37:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

进入3月以来,不温不火的全球通用航空开始吸引世人的目光,世界最大的太阳能飞机“阳光动力”2号于9日从阿联酋首都阿布扎比起飞,开始仅依靠太阳能为动力的首次环球飞行。本次飞行计划历时5个月,飞行时间超过25天,全程达到3.5万公里,途径停阿曼的马斯喀特、印度艾哈迈达巴德和瓦拉纳西、缅甸的曼德勒,中国重庆和南京、美国夏威夷、凤凰城和纽约等12个城市,其中欧洲南部的城市需要视天气情况而定,毕竟天气因素对太阳能飞机的干扰是相当大的。

截止3月13日,“阳光动力”2号已经抵达印度艾哈迈达巴德,此前在阿曼进行了降落休整,下一站将是瓦拉纳西和缅甸的曼德勒。抵达我国重庆的时间预计在3月19日,并在21日清晨飞往南京,有兴趣的朋友可以算准降落和起飞的时间,准备好400毫米以上长焦头,记录下“阳光动力”2号的首次环球飞行。

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 楼主| 发表于 2015-3-16 14:37:44 | 显示全部楼层



“阳光动力”2号作为世界上最大的有人驾驶太阳能飞机,其翼展达到了72米,要知道当前双通道宽体客机中巨无霸波音747-8的翼展只有68米,空客A-380只有80米。但“阳光动力”2号的起飞重量却非常小,只有2.3吨,相当于一辆小型货车。较大的翼展配备轻量级的机身能够获得足够的升力,这与滑翔机的布局有些类似,如果地面风足够大,停在机场上都出现摇摇晃晃的现象。在“阳光动力”2号制造之前,瑞士探险家贝特朗·皮卡尔的团队就制造了“阳光动力”1号,并创下了多项太阳能飞机的爬升纪录。

不过,随着“阳光动力”2号的服役,太阳能动力飞机的研发再次有了新的突破。为了实现环球飞行,“阳光动力”2号使用了超过1.72万块太阳能电池板,比“阳光动力”1号多了大约6000块,翼展也增加了近10米,为敷设更多的电池板提供了足够的空间。“阳光动力”2号使用4台螺旋桨发动机,由电机驱动,每台发动机后方配有一块大型锂离子电池,蓄电池的重量占起飞重量的四分之一,能够实现140公里每小时的最大飞行速度,升限可达到1.2万米,这个高度大约为商业客机的巡航高度。

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 楼主| 发表于 2015-3-16 14:38:17 | 显示全部楼层



太阳能电池的效率是关键
  太阳能飞机最关键的地方就是能量系统,“阳光动力”2号上使用的太阳能电池为单晶硅电池,由位于美国加州的SunPower公司提供,转换效率为22.7%,厚度仅为135微米。单晶硅电池是当前太阳能发电最常见的一种形式,加工工艺和成本都已经趋于成熟,也广泛用于航空航天领域,比如卫星上的太阳能电池板就是一个例子,不过其转换效率更高一些,转换率可达到30%。

单晶硅电池的总体水平仍然没有得到很大提升,转换效率基本维持在15%~ 20%之间,目前最高效的单晶硅电池可达到25%,当然这是实验室内的标准,还没有得到大规模推广。从中可以看出,单晶硅电池偏低的效率是制约太阳能飞机发展的最大技术瓶颈。在利用太阳光能发电的能量单元中,除了单晶硅电池外还有多晶硅电池和CIGS薄膜电池,后两者的转换率都不高,多晶硅和薄膜电池转换率大约在20%左右,因此利用成熟的单晶硅电池是目前太阳能飞机发展普遍采用的技术。

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 楼主| 发表于 2015-3-16 14:38:50 | 显示全部楼层



气动设计与动力系统
  太阳能飞机从1974年发展至今也历时40载,自第一架太阳能飞行器Sunrise I横空出世后,这种机型的气动就没有发生太大的变化。基本上沿用了非常成熟的常规气动,中规中矩的大展弦比机翼、细长的机身以及T型尾翼等都是太阳能飞机的明显标志。不过,美国国家航空航天局在1999年试飞了著名的“太阳神”号,其采用无尾翼气动,翼展达到了75米,接近空客A-380的尺寸,从外观上看就像是一块会飞的机翼,14台永磁直流电动机安装在机翼上,给世人留下了深刻的影响。

     太阳能飞机为了获得足够的升力除了需要在气动上下手外,还需要对机身材料进行升级,大量的碳纤维复合材料被用于机身制造,其目的就是降低机身重量。以“阳光动力”2号为例,全机身83%以上的部位使用了超轻复合材料和薄板技术,由德国拜耳材料科技公司提供碳纤维复材,还有一些环氧树脂用于提升机体强度,不仅实现了降低机身重量的目的,也能够提高机翼的强度和耐紫外线能力。

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 楼主| 发表于 2015-3-16 14:39:28 | 显示全部楼层






在动力系统上,太阳能飞机几乎都使用了分布式动力分配与永磁直流电机。因为这样的动力系统结构并不会太复杂,零部件数量也不多,有利于后勤保障。当然太阳能飞机的动力分配也是有讲究的,白天飞行高度较高,像“阳光动力”2号的高度可达到8500米,晚上为了节约电能可把飞行高度压低到1500米,更稠密的大气也有利于提供更多的升力,平均飞行速度控制在50~60公里每小时。更重要的是,太阳能飞机要时刻关注飞行环境的变化,日均太阳辐射、平均气温等都会影响动力的输出,这也是为什么“阳光动力”2号要选择一条接近赤道的环球路线,这样能够获得最大的光照。

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 楼主| 发表于 2015-3-16 14:40:09 | 显示全部楼层



太阳能飞机发展方向
  “阳光动力”2号是目前世界上最先进的有人驾驶太阳能飞机,与美国航空航天局“太阳神”号的区别在于它是载人的,“太阳神”号是无人驾驶,显然能够载人的太阳能飞机应用化程度更高一些。“阳光动力”2号的机舱仅有3.8立方米,只能满足一名飞行员的活动,本次环球飞行由两名飞行员轮流执飞。从中可以看出,太阳能飞机当前的技术状态是科研与实验性质,距离商业化载客飞行仍然非常遥远。本世纪初轰动一时的“太阳神”号主要任务还是科研,该飞行器在2001年创造了29.5公里的高度纪录,试飞过程中测试了飞翼布局在高空环境中的特性以及柔性机翼在紊流中的气动表现。

     “阳光动力”2号则更上了一层楼,发展出有人驾驶的平台,打破了此前太阳能飞机都是无人机的局面。事实上,太阳能飞机在研制之初就是要获得无限的续航力,能够在高空进行长航时飞行。从科研角度看,连续数个月以上的高空飞行可收集到完整的科学数据,美国国家航空航天局计划研制的太阳能指标是无人驾驶飞行6个月以上,这种性能无疑能大大节约相关科研项目的经费。从军事用途看,太阳能飞机也能够长时间对敌方目标进行监视,执行巡逻、中继通信等任务。不过随着光能型太阳能电池板技术的进步,今后小型有人驾驶飞行器有望使用太阳能提供电力,同时高效电机领域也将有所突破,新型轴向磁通电机可作为新型动力为太阳能飞机提供强有力的推力输出。

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