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    阅读 2141 次 历史版本 0个 创建者:小旅人 (2015/4/30 17:37:38)  最新编辑:小旅人 (2015/4/30 17:37:38)
    太阳能飞机

    太阳能飞机
    太阳能飞机


    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。




    发展历程

    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??靥裟芊苫?,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??蒲腥嗽崩?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?;非蚍尚性ぜ圃?011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。

    发展前景

    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。

    首次试飞

    试飞高度

    太阳能飞机试飞成功高度可达两万米。
    据美国媒体报道,美国太空总署资助研制的太阳能飞机“太阳神”号前日在夏威夷试飞,在10小时17分的飞行中达至22800米的目标高度。该飞机完全靠太阳能驱动,在技术成熟后,它将可能投入商业和军事应用。
    “我们实现了所有的预定目标?!备涸鸫舜畏尚惺匝榈拿拦兆苁鸸僭痹己病ば粮袼垢咝说厮担骸胺苫尚凶纯隽己谩?。
    “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,较小型汽车还要轻;“太阳神”号的机身长2·4米,活动机翼全面伸展时达75米,连波音747飞机也望尘莫及?!疤羯瘛焙庞傻孛嫒嗽蓖ü缒砸?胤尚?,它的机身上装有14个螺旋桨,动力来源于机翼上的太阳能电池板。
    关于“太阳神”号的应用,美国太空总署的官员表示,它将用作高空卫星平台和低成本的电子通讯领域,还可以用来探测大气温度。此外,它也可以有商业和军事用途。
    “太阳神”号曾于1999年在加州试飞,但当时完全靠电池驱动,随后研究人员将“太阳神”号运往阳光和风力更适宜飞行的夏威夷,装上65000片太阳能板,由地面两名机师透过??厣璞浮凹菔弧?;太阳能板输出的电力驱动小型发动机,令机上14个螺旋桨转动。
    研究员预计“太阳神”号最高可飞到三万米高空,超出喷气式客机飞行高度3倍多。

    发展计划

    飞行自古以来都是人类的梦想,而各种各样的飞行器就是实现人类梦想的翅膀。
    瑞士探险家计划在2011年挑战太阳能飞机环球载人飞行的构想,并于5月22日正式展开了网上模拟试验。航空技术的发展,已经使人们惊觉:利用取之不竭的阳光实现永久飞行,正跳出科幻的意味,变得越来越真实可及,正如英国皇家航空俱乐部的巴里·罗尔夫所说:“谁知道将来还有什么会成为可能呢?”
    瑞士科研人员开始对太阳能飞机环球飞行计划展开网上实景模拟试验,为一年后开始的首架样机试飞和最终环球载人飞行作准备。第一架样机目前正在瑞士制造和组装,环球飞行预计在2011年上演,一旦实现,这将是太阳能飞机历史上首次载人作昼夜、长距离飞行。

    整夜航行

    太阳能飞机早在2003年,瑞士探险家贝特朗·皮卡尔就提出了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,这一计划被命名为“太阳脉动”,最终的目标是用太阳能飞机实现永久飞行。
    太阳能飞机惊人的续航力来自取之不竭的阳光。从理论上说,只要能追上地球自转的速度,使自己永远暴露在阳光照耀下,太阳能飞机就能永久飞下去,持续时间取决于部件的寿命极限。但实际上,飞机要跟上地球的脚步,需要以接近两倍音速飞行,这只有在已经退役的“协和”超音速客机上才能体验到,因此现实的永久飞行之道还必须面对黑夜的挑战。

    动力问题

    “太阳脉动”计划面临的最大挑战正是彻夜飞行,因为夜间无法采集阳光,飞机只能依靠电池白天储蓄的有限能量。皮卡尔承认:“我们最大的问题是能否在白天储存足够的太阳能,保证夜晚飞行?!辈还衔?,只要蓄电池的能量密度和重复充电能力、太阳能电
    池板的能量转换效率以及电动机的经济性达到足够水平,太阳能飞机在空中数周数月地飞行下去,并不是一个遥不可及的目标。模拟

    飞行

    皮卡尔的研究小组共有60名科研人员,研究机构设在瑞士,他们的研究得到了法国达索特航空和欧洲宇航局的大力支持,整个项目投资7000万欧元。
    由于世界上还没有驾驶太阳能飞机尝试昼夜连续飞行的先例,因此在实际飞行前,皮卡尔和他的研究小组要完成充分的数据模拟以保证飞行安全。22日的网上模拟将充分考虑“太阳脉动号”可能遇到的各种实际情况。飞机将在白天攀升到高空,在夜间降低飞行高度,以节省能源,但具体飞行高度需要模拟确定。此外,模拟还要考虑恶劣天气,以及如何避开云层、如何最大限度获取阳光等问题。参与飞行计划的气象学家卢卡·特鲁曼斯说:“我生来第一次希望天天都艳阳高照?!?/div>
    研究小组正在赶制“太阳脉动”的第一架样机,他们所采用的超轻材料、太阳能电池、能量管理系统、驾驶员健康检测系统等都代表着最新的技术水平。按照设想,“太阳脉动号”飞机将由碳纤维制成,外形就像一只巨大的蚊子,表面覆盖有240平方米的太阳能光电板,装有一组400公斤的锂电池,通过4台电动机驱动直径数米的螺旋桨缓慢旋转,能在10000米以上高度以70公里/小时的速度巡航飞行。
    太阳能光电板会将阳光转化为电能,储存到高技术超薄锂电池,带动机翼上4个电动螺旋桨发动机,为飞机提供动力。在这样的飞行中,“太阳脉动号”从太阳得到的平均功率只与莱特兄弟1903年的飞机功率相当,这要求锂电池每公斤的能量密度必须接近200瓦/小时。

    电池问题

    超薄和柔性的太阳能锂电池要承受变形、振动、-60℃~+80℃的温度变化,还有强紫外线照射。制造宽达80米的超轻细长机翼也是前所未有的技术考验,在12000米以上高空驾驶,驾驶舱还需要增压、保温和除湿。另外,为节省能源减轻重量,驾驶舱设计很小,只能容下一个飞行员。飞机的起飞将完全自动完成,白天它将逐渐升高,夜晚则缓慢滑翔下降,以节省宝贵的能量,飞机底部也将安装太阳能光电板,接受反射的阳光。
    “太阳脉动”是一个复杂的工程,科研人员决定分阶段实施,进行充分试验和准备,从而降低风险。在能源消耗方面,飞机一直是最昂贵的交通手段,温室气体排放占全球3%以上。而太阳能飞机堪称最纯净的绿色飞行方式。皮卡尔预计,“太阳脉动号”太阳能飞机飞行计划代价高昂,需要9400万美元投资,没有商业化前景,但科学家们更看重的是宣传无污染飞行,皮卡尔希望这架飞机能引起人们对可持续发展技术更多的讨论。

    成功试飞

    最大太阳能飞机 成功试飞2014年6月2日,一架准备在2015年环游世界的太阳能飞机2日成功进行首次试飞。
    这架太阳能飞机在当地时间2日凌晨5时35分,从瑞士贝耶内基地起飞。飞机飞行两个小时后重返基地。飞机一度飞到1800米的高度,并执行一系列的飞行招式。
    飞机是由机师舍威尔德勒驾驶的。舍威尔德勒称,飞机起飞时有些震动,不过那之后飞行状况不错。
    这架太阳能飞机由碳素纤维所制成,机翼有72米宽,比波音747还宽,但重量只有2.3吨?;砩嫌卸啻?.7万个太阳能板,能驱动四个引擎,让飞机能以140公里的最高时速飞行。

    飞机型号

    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。

    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,整架飞机仅重5 90公斤,比小型汽车还要轻?!疤羯瘛痹谕庑畏矫娴淖畲筇氐憔褪怯辛礁龊芸淼幕?,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,由地面两名机师透过??厣璞浮凹菔弧?;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。

    天空使者

    重量:2.6公斤
    翼展:3.2米
    速度:30公里/小时 天空使者号设计图
    “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。而电池重量约占了整个飞机重量2.6公斤的一半。
    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。

    脉动号

    脉动号机翼上装备4台电动螺旋桨发动机
    重量:约2吨
    翼展:80米,超过空客A380的翼展
    时速:70公里/小时
    世界最大太阳能飞机飞行高度: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。

    西风号

    “西风”号在美国新墨西哥白沙导弹靶场进行试飞
    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。
    2003年到以后,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?;碛商妓叵宋瞥?,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?;ぶ岢?。
    “西风”号在美国新墨西哥白沙导弹靶场进行试飞
    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。

    动力号

    “阳光动力号”机翼承载200平方米的光伏电池面板,可在夜间飞行
    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
    空客的翅膀,汽车的重量,昼夜不间断飞行!世界上第一架完全依靠太阳能、可实现昼夜不间断飞行的瑞士HB-SIA "阳光动力号"太阳能飞机?!把艄舛Α笨⒄咛寡苑⒄勾讼钐裟芊苫钅恳庠诮徊酵乜硖裟茏试吹氖褂梅段?,打造“以太阳能为主的未来”。
    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?;さ绯刈榉⑸⒌娜攘?,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?!坝谐ご?4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?!贝送?,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?!把艄舛Α钡淖ㄒ低哦右恢痹谌找约桃沟牡髡馐阅勘?,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?!?/div>
    “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。

    太阳驱动2号

    全球最大太阳能飞机“太阳驱动2号”机翼上安装有1.7万块超薄且高效能的太阳能电池板,翼展长达72米。
    太阳能板在日间吸收能量,让飞机在晚间也可飞行,飞行时间不再受燃油量限制。
    “太阳驱动2号”于2015年3月环绕地球飞行,途经中国、印度等地。
    2014年6月2日,瑞士帕耶讷,全球最大的太阳能飞机“阳光动力2号”首飞。

    阳光动力2号

    2015年2月26日,阿联酋首都阿布扎比,全球最大的太阳能飞机““阳光动力”2号于当地时间3月9日早晨7时12分(北京时间9日11时12分)从阿联酋首都阿布扎比起飞,开始首次环球飞行。此次环球之旅的总航程将达到3.5万公里,预计用时5个月,降落12次,在中国停留重庆、南京两站。据悉,“阳光动力”2号已于北京时间3月31日凌晨1时35分抵达重庆江北机场,“阳光动力2号”原本计划凌晨降落江北机场后,于当日清晨五六点出发去南京。但根据重庆到南京航线天气评定,南京当天开始下雨,无法启程。
    2015年3月9日瑞士纪念币发行公司发行全球最大太阳能飞机“阳光动力”2号首次环球飞行纪念币。

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