盘点史上最经典的六款太阳能飞机

日期:2014-08-11 11:43 作者:通航在线

据了解,国际航空运输协会希望能在2050年实现飞行器的碳排放量为零。太阳能飞机制造商“阳光动力”公司预测,40多年后,能承载300名乘客的全太阳能飞机有望正式投入运营。可见,以太阳能作为未来航空航天器的辅助或主能源,是人类具有方向性和前沿性的重要研究目标。今天,能豆君向大家介绍一下太阳能飞机的发展历史和史上最经典的六款机型,期待太阳能飞机能够早日实现商用化,帮助人类完成环保飞行的梦想。

太阳能飞机以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小,为了获得足够的能量,飞机上应有较大的摄取阳光的表面积,以便铺设太阳电池,因此太阳能飞机的机翼面积较大。

太阳能飞机的英文名称为:solar-poweredairplane。它是以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小,为了获得足够的能量,飞机上应有较大的摄取阳光的表面积,以便铺设太阳电池,因此太阳能飞机的机翼面积较大。经典的机型有:“挑战者”号;“太阳神”号;“太阳脉动”号;“天空使者”号;“西风”号;“阳光动力”号。

发展历史

70年代末,人力飞机的发展积累了制造低速、低翼载、重量轻的飞机的经验。在这一基础上,美国在80年代初研制出“太阳挑战者”号单座太阳能飞机。飞机翼展14.3米,翼载荷为60帕(6公斤力/米2),空重90公斤,机翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太阳电池。在理想阳光照射下能输出3000瓦以上的功率。这架飞机1981年7月成功地由巴黎飞到英国,平均时速54公里,航程290公里。太阳能飞机还处于试验研究阶段,它的有效载重和速度都很低。有人提出设计一种无人驾驶的高空、低速遥控太阳能飞机,白天飞行时利用取得的太阳辐射能尽量爬高(或贮能于蓄电池内),夜间利用高度作滑翔飞行(或由蓄电池取得能量)。这样依靠取之不尽的太阳能,可维持长时期的飞行。这样的飞机可首先用于气象观测和侦察任务。2007年11月5日,在瑞士杜本多夫举行的新闻发布会上,展出了“阳光脉动”太阳能飞机样机。科研人员历时4年制成了这架太阳能飞机。瑞士探险家贝特朗˙皮卡尔2003年提出太阳能飞机环球飞行构想,计划驾驶太阳能飞机,经过5次起降实现环球昼夜飞行。环球飞行预计在2011年开始,这将是太阳能飞机历史上首次载人作昼夜、长距离飞行。

国际航空运输协会希望能在2050年实现飞行器的碳排放量为零。阳光动力公司设想,在未来,着重解决光能吸收问题。因为只有大幅度提高电池功效,才可能使机上人数增加。40多年后,能承载300名乘客的全太阳能飞机有望正式投入运营。

太阳能飞机型号介绍

1.“挑战者”号

美国在80年代初研制出“太阳挑战者”号。飞机翼展14.3米,翼载荷为60帕(6公斤力/米),飞机空重90公斤,机翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太阳电池,在理想阳光照射下能输出3000瓦以上的功率。

1981年7月7日,第一架以太阳能为动力的飞机飞过英吉利海峡。这架210磅重的“太阳能挑战者”号从巴黎西北部25英里以远的科迈伊森-维克辛起飞,以平均每小时30英里的速度、1.1万英尺的飞行高度,完成了全长165英里的旅行,最后在英国东南海岸的曼斯顿皇家空军基地着陆。

保罗-麦克里迪是该动力装置的设计者,他还曾建造第一架人力发动的飞机越过海峡。这架“太阳能挑战者”号是由安装在机翼的1.6万个阻挡层太阳能光电池发动的,这些电池把光能转变为电能以推动2.7马力发动机。这架飞机试图几次飞过海峡都未成功,此次借助极好的夏日阳光终于达到目的。飞机着陆时受到了30人的迎接。


2.“太阳神”号

重量:590公斤

翼展:75米

速度:30-50公里/小时

最著名的太阳能飞机是AeroVironment公司为NASA的环境研究机和传感器技术计划研制的“太阳神号”无人机。

“太阳神”号耗资约1500万美元,用碳纤维合成物制造,部分起落架材料为越野自行车车轮,整架飞机仅重590公斤,比小型汽车还要轻。“太阳神”在外形方面的最大特点就是有两个很宽的机翼,其机身长2.4米,而活动机翼全面伸展时却达75米,连波音747飞机也望尘莫及。

“太阳神”号机身上装有14个螺旋桨,动力来源于机翼上的太阳能电池板。在早晨阳光不是很强烈时,“太阳神”装备的太阳能电池可以为飞机提供10千瓦的电能,使飞机能够以每秒33米的速度爬高。中午时分,电池提供的电能达到40千瓦,飞机的动力性能达到最佳状态,能以每小时30至50公里的巡航速度飞行。晚上,飞机则依靠储存的电能进行巡航飞行。

2001年研究人员将“太阳神”号运往夏威夷,装上65000片太阳能板,由地面两名机师透过遥控设备“驾驶”;在10小时17分的飞行中,“太阳神”号达至22800米的目标高度。研究人员预计“太阳神”号最高可飞到30000米高空,超出喷气式客机飞行高度3倍多。

不幸的是,2003年6月26日,“太阳神”在试飞时突然空中解体,坠入夏威夷考艾岛附近海域。事后经调查,“太阳神”号在空中飞行36分钟时突然遭遇强湍流,引起两个翼端向上弯,致使整个机翼诱发严重的俯仰振荡,超出飞机结构的扭曲极限。

3.“天空使者”号

重量:2.6公斤

翼展:3.2米

速度:30公里/小时

“天空使者号”实际上是苏黎世瑞士联邦理工学院和欧洲宇航局合作设计的一款太阳能驱动火星研究飞行器。研究者相信随着技术的进步,在10年至20年内“天空使者号”将能够抵达火星内轨道。

“天空使者号”能够在火星上空飞行,必须满足以下火星飞行条件:低密度大气层、微弱的太阳能、多变的风向和冰点以下温度。为了满足这些限制条件,科学家们论证得出飞机的最佳翼展约为3米。而电池重量占了整个飞机2.6公斤的约一半。

2005年初,科学家们建造和测试了首台原型机,通过手动发射,该原型机在地球上空持续飞行了5小时。原型机采用了包括西印度轻木虑芯和碳纤维在内的刚性轻质材料制作而成。飞行器配备了216块硅太阳能电池,在理想太阳光条件下可以为飞机提供80瓦特以上的电力。

由于拥有小而轻质的结构,“天空使者号”可以装载一些高技术设备。数字传感器可以测量高度和空速,这使飞机能够在诸如海岸或者峡谷之类的目标上空飞行。携带的电荷耦合照相机(CCD)可拍摄地面图像。当飞机自动驾驶出现故障时,科学家还可以通过一个地面控制站监控和给飞行中的飞机发送指令。

4.“太阳脉动”号

重量:约2吨

翼展:80米,超过空客A380的翼展

时速:70公里/小时

飞行高度:可达1万至2万米。

发动机:机翼上配备4部螺旋桨发动机

太阳能锂电池:超薄型、可抵御零下60℃低温和80℃的高温太阳能

板面积:240平方米,能储存足够的太阳能,让飞机在黑夜中靠锂电池驱动螺旋桨

载人环球行将飞经深圳

2007年~2008年前后,科学家将制出一架机翼翼展60米的“太阳脉动”号样机,进行短距离夜间飞行。

2009年~2010年,制造出翼展为80米的样机,实现长距离不间断飞行,比如飞越大西洋和跨洲飞行。

2010年5月开始,“太阳脉动”号将进行有着陆环球试飞,从欧洲出发,在波斯湾着陆,又从好望角到中国南部的深圳,再飞越太平洋到加州,最后经纽约和巴黎回国。途中在每个大陆着陆一次,每个航段持续4~5天,这是飞行员能够承受的极限。

当电池效率达到足够水平,使重量得以进一步减轻时,“太阳脉动号”将改装成可载两人,在北半球最终完成不着陆、无燃料环球飞行,平均速度每小时80公里。

5.“西风”号太阳能飞机

重量:33公斤

翼展:12.2米

速度:70米/秒

2006年8月,英国科学家研制的全球首架太阳能无人侦察机——“西风”(Zephyr)号试飞成功。该机采用全球定位系统导航,最大飞行高度可以达到40000米。它依靠太阳能电池提供动力,可持续飞行3个月之久,对目标实施长时间的高密度监控。预计未来两年,它将被广泛用于阿富汗和伊拉克战场。

从2003年到2012年,研究人员已先后制造了四架样机,它非常轻巧,总重量仅33千克。机翼由碳素纤维制成,宽12.2米,表面覆盖着一块块太阳能电池面板,收集到的太阳能一方面驱动螺旋桨,一方面储存到40节锂电池中,供夜间使用。为防止机身表面温度过高,“西风”号表面涂满了一种特殊“太空油脂”。航空润滑油也是特制的,能在极端气温条件下保护轴承。

虽然体积和重量“缩水”,可是“西风”号的功能却大大增强了,它上面的照相机可以从18288米的高空,精确拍摄大小仅为25.4厘米的地面目标。同时,它还可以接收和传播特种部队士兵从远方发送来的无线电信号。

不过,由于“西风”号是为高空飞行设计的,机身脆弱,动力小,因此完全不能依靠自身动力起飞,寻找一种稳定可靠的发射方式,正是2012年的研制重点。2006年8月初,“西风”号模型机在美国新墨西哥州成功完成试飞,由于它的自身动力过于弱小,在试飞过程中,3名男子顺着风沿着跑道一路狂奔,才总算将它“送”上蓝天。

6.“阳光动力”号

制造国家:瑞士

制造公司:瑞士阳光动力公司

类型:单座太阳能飞机

平均时速:70公里

最大飞行高度:8500米

乘员:一名飞行员

从外表上看,HB-SIA"阳光动力号"太阳能飞机并无任何特殊之处。而实际上它却凝聚了当今世界无数最新科技成果:机身由超轻碳纤维复合材料制成,翼展长达63.4米,可比一架波音747-400。然而,拥有如此大翅膀的飞机,即使包括飞行员在内,其重量亦不超过1600公斤,仅相当于一辆普通家用汽车,只需两个成年人便可将其骨架抬起。

HB-SIA"阳光动力号"机翼下方设有四个发动机舱,各配有一个10马力发动机,一个锂聚合物电池组和一个调节充放电及温度的控制系统。此外,还设计了一层保温层,旨在保护电池组发散的热量,以确保他们能在8500米的高空、零下40度的恶劣环境下仍然可以继续工作,每个发动机配有一台减速器,将直径为3.5米的双轮叶式螺旋推进器的转速控制在200-400转/分钟,其中,太阳能电池达到了11628块,机翼上配10748块,横向平衡器上配880块,平均飞行速度理论上是70公里每小时,终极目标是实现无燃料消耗的昼夜飞行。

白天,“阳光动力号”上升到9000米的高空,以平均每小时70公里的速度进行飞行的同时,将多余的太阳能电力储存到高性能蓄电池中。到了晚上,重达400公斤的聚合锂电池把白天的太阳能转换成电能,可供飞机夜间持续飞行8小时。由于碳纤维复合材料具备耐热性高的优点,飞行员可将白天飞行高度保持在8500到9000米之间,从而达到最佳的空气动力学效率和太阳能利用率。到了晚上,飞行高度降至1500米左右,降少耗电量,待次日太阳升起之后,飞机才重新回到高空进行饱和飞行+饱和充电。

对于使用环境恶劣储能成难题。为了提高安全系数,研发小组为飞行员提供了一整套高科技装备。专用的智能马甲具备防寒功能,能与导航设备相连。一旦飞机与预定航向偏离5度以上,马甲便会发出强力脉冲以唤醒沉睡中的飞行员。因此后者可以随时进入深度睡眠,而不必担心安全问题。此外,电池组表面的保温层可以阻止热量散失,从而确保蓄电装置在8500米高空、零下40摄氏度的恶劣环境中维持正常运行。

“阳光动力号”首席执行官安德烈˙博尔施博格透露,当前飞机使用的光伏面板,转换效率大约为20%,飞机必须飞到9000米的高空才能吸取足够的光热。如果进行环球飞行,当处于北半球夏天,日照时间更长,但由于太阳升降期间与地平线形成的角度偏低,光伏面板其实无法在整个白天都吸取到光热。“有长达14个小时是需要使用电池飞行的,若电池有问题或储能不足,飞机不排除自9000米高空坠毁的可能。”此外,飞机的设计时速远低于喷气飞机的时速;此外其座位也被戏称为“经济舱”,只能做45度角的调整。

因此,即使在2012年实现环球飞行,要真正令太阳能飞机商用化,也还是前路漫漫———“阳光动力”的翼展已经大得如同一架波音飞机,却仍无法承载驾驶员以外的乘客。要么太阳能电池得到新的发展,使得动力得到增加;要么改造所有机场保证其起降。这或许才是飞机作为太阳能应用的终极挑战。

这架HB-SIA"阳光动力号"由一批热心环保事业的瑞士科学家、工程师和探险家共同倾力打造而成,耗资近7000万欧元。设计者希望飞机彻底摆脱现有对石油燃料的依赖,仅凭无限的太阳光实行昼夜连续飞行。

驾驶这架"阳光动力号"太阳能动力飞机是一个极端困难和高风险的工作。因为在过去还没有如此大翼展却又如此轻的一架飞机能够成功上天。“阳光动力”的专业团队一直在日以继夜的调整测试目标,以求把风险降到最低。

“太阳驱动”号从亚利桑那州凤凰城空港国际机场起飞,在飞行了18小时21分钟后,于23日凌晨1时零8分飞抵得州达拉斯-沃思堡国际机场,飞行路程达1541公里。

以前的太阳能飞机飞行纪录是由“太阳驱动”号创下的,当时它从瑞士飞到西班牙,全程达1116公里。

机师博尔施伯格说:“这一阶段行程特别具有挑战性,因为降落时遇到相当强的风势。以距离来说,这也是太阳能飞机的最长飞行路程。”

“太阳驱动”号在美国展开飞越美国大陆之旅,从凤凰城飞到达拉斯是第二阶段行程。第一阶段行程是从加州旧金山飞到凤凰城。

“太阳驱动”号翼展与波音747大型飞机相当,使用约1.2万块太阳能板,重量与普通四门小车相仿,平均飞行速度约每小时70公里,如果飞行员身体许可,可不间断飞行26小时。在夜间飞行时,它会飞到8230米的高空,然后缓慢向下滑翔,过程中不需要用到任何能源,一直到太阳升起时,太阳能板才再度积蓄能量。

自2010年4月7日首飞成功后,“太阳驱动”号每年都有突破,2011年首次完成瑞士至比利时跨国飞行,2012年5月完成瑞士至摩洛哥跨洲飞行,2015年将进行环球飞行。




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