太阳能飞机（共5篇）
太阳能飞机 篇1
目前全球能源短缺、环境污染和温室效应等问题越来越严重。大规模的开发新清洁能源将是未来发展趋势。以太阳能利用为标志的新能源技术即是其中之一, 由此所形成的高科技产业———太阳能产业。主要研究生产各种太阳能跟踪、捕获、转换、传输和存储的技术和设备, 必将产生巨大的经济效益和社会效益。
太阳能飞机是以太阳辐射为推进能源的飞机。它的动力系统由太阳能电池、电子调速器、无刷电动机、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, 飞机上应有较大的表面积来铺设太阳电池, 以便获取足够的太阳能。因此, 太阳能飞机的机翼面积较大。它具有清洁无污染、成本低等特点, 可以灵活执行多种任务。
1 太阳能飞机的设计与制作
不同的任务要求都会影响太阳能飞机的尺寸设计, 如, 飞行时间、高度、经纬度、载荷质量和功率等。太阳能飞机的典型任务需求如图1所示。
1.1 太阳能飞机动力系统设计
设计的太阳能飞机主要通过频率为2.4GHz的航模遥控器向飞机发送操纵信号, 飞机上的接收器接收信号并处理后再通过控制舵机舵量和电机转速来完成飞行姿态的改变。其中, 动力系统是太阳能飞机区别一般飞行器的主要特征, 其主要特征如图2所示。
1.1.1 动力系统中各子系统的功能
太阳能电池阵列将太阳辐射能转换为电能;储能子系统可以用于储存富余的能量, 在太阳辐射减弱时它能维持太阳能飞机的运行;能源管理与分配子系统对飞机上的能源进行管理, 保证机载设备的正常运行;飞行控制子系统对飞行器的飞行姿态进行控制, 保证飞机平稳飞行;推进子系统提供太阳能飞机飞行所需的动力。机上各子系统联系紧密, 共同协作以保证飞行器的正常运行。
1.1.2 动力系统中各子系统的组成结构
能量管理与分配子系统包含太阳能控制器, 稳压模块和各个子系统间的电路;储能子系统采用储存效率较高且安全性较高的锂电池。飞行控制子系统主要包括2.4GHz遥控接收机、数字舵机等;推进子系统主要包括将直流电转换成交流电的电子调速器, 无刷电机和高效率螺旋桨;太阳能电池阵列采用转换效率较高的新型多晶硅太阳能电池片, 单片电压0.5V, 功率4W。太阳能电池片之间用光伏组件焊接专用镀锡焊带, 以串联方式焊接。
1.2 太阳能飞机的结构设计
1.2.1 太阳能飞机基本参数的计算
太阳能飞机由于它的独特供能方式, 所以其结构也比较特殊。太阳能飞机的机翼采用大展弦比的设计, 选择滑翔性能较好的NACA4412翼型, 机翼由一根主梁连接。太阳能电池板安装在机翼上表面, 由于太阳能飞机选用额定电压为12V的无刷电机, 所以, 至少需要24片太阳能电池片。考虑到能量的转换和损耗及飞机结构等因素, 选择了38片太阳能电池片来制作飞行器。无刷电机安装在机头, 采用前拉式的设计能够提高能量的利用率。尾翼采用倒T型设计, 结构简单稳定。
太阳能飞机基本参数如下:
1) 飞机主要长度参数:翼展4m, 弦长0.4m。机身长2m, 宽0.06m。升降舵长1.2m, 宽0.08m。方向舵长0.6m, 宽0.08m;
2) 机翼总面积:0.4×2+ (0.3+0.4) ×1=1.5m2;
3) 电池片参数:尺寸156mm×156mm×0.2mm;
4) 电池片铺设面积:0.156×0.156×38=0.925m2。
1.2.2 太阳能飞机雷诺数的计算
飞机的雷诺数= (密度/粘度) ×速度×弦长, 表达式为:
式中:空气的参考粘度为0.0000179kg/ (m·s-1) , 参考密度为1.225kg/m3, 机翼弦长L为0.4m, 飞机速度V为6m/s。
故飞机的平均雷诺数约为164245.81, 近似等于150000。通过查看NACA4412翼型在不同雷诺数下的升力阻力系数图, 如图3所示。选择Re为150000时的升力阻力曲线, 即图中灰色曲线。
1.2.3 太阳能飞机升力与迎角的计算
当飞机设计重量为3kg时, 机翼的总升力应至少大于1.2倍的重力。
由升力公式Y=1/2ρCl SV2倒推得, Cl>1.07。通过查看NACA4412翼型升力及阻力系数与迎角关系图, 如图4所示。可知, 机翼在5°迎角时才能达到升力要求。
1.2.4 太阳能飞机结构模拟
通过计算, 将得到的数据导入Solid Works软件中, 模拟出飞机结构的三维效果图。太阳能飞机结构模拟如图5所示。
1.3 太阳能飞机的制作
由以上计算可知, 飞机设计的最大起飞重量为3kg, 所以, 飞机的重量应控制在最大起飞重量之内。因此, 太阳能飞机的机身结构主要由航空轻木制作, 在关键结构中用碳纤维和凯夫拉线加强, 并用航空专用热缩蒙皮包裹整个机身。由于材料的原因, 导致了机翼刚度相对较弱, 变形较大。太阳能电池片铺设在机翼上表面, 不仅要承受气动载荷, 还要承受由于机翼变形产生的应力, 而太阳能电池片又比较脆, 受载性能不佳。因此, 将太阳能电池片安装在翼肋之间, 再用蒙皮封住, 这样既保证了机翼气动外形的完整, 又能保护太阳能电池片不被损坏, 如图6所示。
2 结论
设计了一种结构相对简单的太阳能飞机, 它是通过航模遥控器控制飞行并执行任务。它具有成本低、重量轻、清洁无污染等特点。在目前大力开发新能源的大背景下, 它对于飞行器供能方式多样化的研究具有重要意义。
参考文献
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解码全球最大太阳能飞机 篇2
这架被称为“接近永续飞行”的飞机仅重2.3吨，它如何实现环球飞行？飞行员将怎样抵御低温和压力变化，在狭小的驾驶舱内完成长达5昼夜的飞行极限挑战？
从外形上看，“阳光动力2号”就像一只展翅翱翔的鹰，其翼展达到72米，比波音747还要宽，庞大的机翼给了“阳光动力2号”足够的升力。“阳光动力2号”机身并不长，其驾驶舱只能容纳一人。这样的飞机，能进行环球飞行吗？
对此，“阳光动力”项目媒体公关负责人克劳蒂亚表示，千万不要小看“阳光动力2号”，它不仅能飞，而且是人类历史上第一架接近永续飞行的飞机，它可以完全依赖太阳能飞行而不消耗一点燃油。
“阳光动力2号”只有2.3吨，和一辆小汽车相当，它是如何实现减重的？这是因为飞机的骨架、太阳能板、电池及各个部件都使用了超轻的材料。
“阳光动力”项目技术专家介绍，索尔维集团为“阳光动力2号”研发了十几项超轻材料和新技术，机身使用的碳纤维蜂窝夹层材料每立方米仅重25克，密度是纸张的1/3，其强度却达到飞行要求。
除了机身轻，“阳光动力2号”的动力系统也极具科技含量。洛桑联邦理工学院战略项目负责人帕斯卡表示，“阳光动力2号”机翼上镶有大约1.7万块太阳能电池板，这些电池板每块仅厚135微米，相当于人类的一根头发丝。
为了满足昼夜飞行的需求，发动机吊舱中安装了633公斤重的锂离子电池。这样，太阳能电池板所产生的电量，除了供其日间飞行外，还可以实现夜间飞行。有了能量储备，飞机不用担心碰到阴雨天气。
此外，节能也是“阳光动力2号”的强项。“阳光动力”项目CEO兼飞行员安德烈·波许博格表示，飞机上几乎每一个零部件都是为了给飞机提供动能而加载上去的，我们在这个过程中尽量把能耗减少到最低。
比如，为确保飞机着陆的能见度，欧米茄专门为“阳光动力2号”开发出一种采用了LED灯的轻型着陆系统，该系统包括16盏着陆灯、电源线、变压器等部件，总重量不超过2千克，总功率只有100瓦。
“阳光动力2号”飞机计划在3月从阿布扎比出发，预计在4～5个月的时间内，进行25天左右的环球飞行，路程长达35000公里。飞机中途将在印度、缅甸、中国重庆、南京、夏威夷、美国凤凰城、欧洲南部等地进行短暂停留，以更换飞行员。
对于飞行员而言，这是一次对心理和生理的极限挑战。对此，两名飞行员皮卡德和波许博格表示，他们已经做好了准备。
飞行员波许博格曾在瑞士空军服役多年，具有驾驶战斗机的经历。同时，他还是工程师、麦肯锡咨询师、投资人和企业家。“阳光动力”项目发起人兼飞行员皮卡德表示，他的祖父和父亲都是冒险家，祖辈父辈上天入海，创下了难以超越的纪录，自己只好挑战连续飞行纪录了。
飞机驾驶舱只有3.8平方米，除去驾驶台和驾驶员坐椅外，几乎没有供飞行员活动的空间。飞行员在空中的饮食、如厕、活动都会受到限制。赞助公司给飞行员设计了特制食物，不仅能保证营养充足，这种食物在食用后还会发生化学反应，给飞行员提供热量。如厕设备就放在驾驶员坐椅下方，使用起来并不麻烦。
“阳光动力”项目商业推广主管格里高利介绍，为了减轻重量，飞机并没有安装加热和减压设备，飞行员将面对从零下30℃到30℃的温差变化。对于这一挑战，两名飞行员都经过特别训练，加上高科技保温飞行服，他们并不担心气温和气压问题。
“阳光动力2号”是单座飞机，每次飞行只允许1名飞行员驾驶。这意味着，飞机4月从南京跨越太平洋的飞行途中，飞行员必须单独完成连续五昼夜的飞行。长达5昼夜的飞行，将考验飞行员的心理极限。飞行过程中飞行员每隔4小时才能躺在坐椅上休息20分钟，其间飞机将借助科技设备由地面系统辅助驾驶。为了适应飞行，飞行员借助瑜伽、冥想和催眠术进行锻炼。
既然环球飞行如此艰难，冒险之旅是为什么而飞呢？皮卡德称：“‘阳光动力2号’的意义不是制造多少架商业飞机，而是希望通过环球飞行向世人展示创新和环保理念。”波许博格也表示，“这次环球飞行是为向世人传递一个信息，让更多的人看到清洁能源的潜力。”
其实，“阳光动力2号”不仅代表着冒险、环保和创新，其背后还有巨大的商业空间——它为众多环保新技术的应用提供了一个试验平台。
飞行员波许博格表示，他们为“阳光动力”项目筹集了1.6亿瑞士法郎的资金，并组建了超90人的工程师团队来设计和制造飞机。此外，该项目还吸引了100多位外部专家以及80家全球顶尖公司的参与，这些公司来自航空、化工、电力、机械、制表等各行各业。
“阳光动力”项目商业推广主管格里高利表示，这些公司将最先进的技术用在“阳光动力2号”上，希望借助这个平台来推广技术。从这个意义上讲，“阳光动力2号”就像是飞机领域中的一级方程式。
那么，“阳光动力2号”上的哪些技术可以推广呢？洛桑联邦理工学院战略项目负责人帕斯卡介绍，飞机上应用的绝缘膜就是一个最好的例子，这种绝缘膜能为电池和飞行员保温，这些技术已经运用在一些冰箱和冷冻产品上了。此外，“阳光动力2号”所使用的人机互动技术，将来有希望用于盲人导航，疲劳度监测技术可用于提高司机驾驶安全。
太阳能飞机 篇3
波音公司正在研制一种太阳能无人飞机, 不间断飞行时间可超过5年。这款无人机名为“太阳鹰” (SolarEagle) , 设计上可在上层大气层飞行数年, 进而持续不断地为地面传送监视和情报信息。
美国国防部高级研究计划局、美国军方已与波音签署一项总额8900万美元的合约, 研制一架“太阳鹰”演示样机, 处女航将在2014年上演。测试过程中, “太阳鹰”样机将在上层大气层停留30天, 白天收集太阳能并存入燃料电池以备夜间使用。
“太阳鹰”将采用高能效的电动发动机和推进器, 机翼长400英尺 (约合122米) , 用于提高太阳能利用率和空气动力学性能。波音幻影工厂秃鹰II项目主管帕特·奥尼尔表示:“‘太阳鹰’是一架在配置上独一无二的大型无人驾驶飞机, 设计上至少可以在同温层停留5年时间。这是一项令人畏惧的任务。波音拥有极为可靠的太阳能电力设计, 能够完成这项挑战, 研制出可在地面上空6万英尺 (约合18288米) 高度执行持久通信、情报收集、监视和侦察任务的太阳能无人机。”
目前, 波音的研发部门——幻影工厂正在研制“太阳鹰”。除了这种大型太阳能无人机外, 幻影工厂同样在研制一款采用先进技术的无人机样机, 名为“幻影射线”。这种战斗机大小的无人机将在2011年初进行首飞。此外, 波音也在打造一款氢动力演示样机, 名为“幻影之眼”。这是一款高空长航时飞机, 续航时间为4天, 同样定于2011年首飞。
能整夜飞行的太阳能飞机 篇4
紧随其后，飞行员安德烈-波士贝格(Andre Borschberg)——阳光动力公司(Solar Impulse)项目的首席执行官和联合创始人——宣称：“我刚刚已经飞行了超过26个小时，没有使用—滴燃料，也没有产生任何污染!”这架飞机在周三凌晨从瑞士空军基地起飞，周四黎明在那降落。
当然，从这次引人注目的飞行表演到不需要依赖能量密集的喷气燃料而能在巡航高度承载几十万磅重的货物和旅客的航空业，还需很长的一段路。这不像汽车5口今的汽车可以依靠存储的电能行驶相当长的一段距离——商用飞机还将依赖液体燃料很长一段时间。
但阳光动力公司的飞机确实包含一些创新性的工程技术。其机翼上覆盖着1.1万块太阳能电池，它使用轻型复合材料构件，并且翼展达210英尺(约64米)，与世界上最大的商用喷气机——A380大型客机(Airbus A380)翼展为260英尺(约79.3米)—相差不大。使飞机的质量低于3500磅(约1587.6千克)需要优化电气元件，以使电池尺寸尽可能小。该设计得到欧洲航天局和瑞士联邦理工学院(swiss Federal Institute of Technology)的帮助，通过计算机模型进行不断修改。不过，这架飞机必须以每小时28英里(约45千米)的速度飞行，以节约用电。从测试飞行中吸取的经验将被用于开发试图环球飞行的改进版飞机。
麻省理工学院航空学教授约翰·汉斯曼(John Hansman)说：“这是很好的技术，因为你可以指望瑞士团队。”尽管该项目很有趣，但他说：“太阳能对于飞机来说将是一个合适的应用。但获取足够的能量用于运输工具很难，而且太阳能电池的效率并不够高。”
尽管对它们的商业潜力还存在疑虑，但轻型太阳能飞机对于执行长期的监视任务将是至关重要的，这就是为什么各国政府，包括美国政府，一直在研究这项技术的原因。美国宇航局(NASA)的太阳能飞机Helios，这是一次无人驾驶的尝试，其失败是因为在2003年的一次试飞中遇到乱流。
太阳能飞机给我们上了一堂创新课 篇5
“阳光动力2号”创造了多个人类纪录，但这并非偶然。瑞士是世界上人均拥有专利比率最高、人均获得诺贝尔科学奖最多的国家。此外，瑞士自2009年开始连续6年在全球竞争力报告中排名第一，2014年创新联盟记分牌第一，2014年全球创新指数中亦居首位，并在人类大脑计划、欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机等大型国际项目中扮演主角。而瑞士的国土面积仅与南京市相当。
“阳光动力2号”的成功离不开洛桑联邦理工大学大批科研人员的支持。他们承担了阳光动力号的可行性研究， 20个实验室研究的相关课题包括太阳能、计算机、建模、新材料、电子学以及机械学等。此外，“阳光动力2号”还获得12家企业1.5亿瑞士法郎的资金支持。值得注意的是，在这个长达十余年的项目中，瑞士联邦政府只投入了几百万瑞士法郎。
7月26日，“阳光动力2号”抵达阿联酋（新华社李震摄）
“阳光动力2号”得以成功环球飞行的关键要素，恰恰是我国产学研合作的难点。2014年，我国R&D（研究与试验发展）经费总量已达13015.6亿元，排名居世界第2位。但针对“异想天开”式创意项目的支持却少之又少，科研人员申报的课题必须遵循各级政府制定的项目指南，不在目录之列的创新创意绝大多数因此而“死在起跑线上”。
一些深谙科研规律的大学院所近年来也陆续拿出经费支持青年科研人员的发散式研究，但有限的资金还是显得杯水车薪。企业过于看重眼前收益，不愿做科研失败者的“天使”，更愿意扮演成熟季节的“收割机”。
“阳光动力2号”项目中，砸钱的企业除了宣传主流的环保理念，最主要的还是为了检验自己的产品在高空、低压、长时间飞行状态下的性能，顺带进行品牌宣传。比如迅达电梯派出两位工程师参与阳光动力号研制，获得了宝贵的清洁能源开发经验，公司将其运用在怎样让电梯更加节能上。德国拜耳公司为阳光动力2号提供的碳纤维材料和保温材料不仅大大减轻飞机重量，还确保储能电池在-40℃运转正常。目前这些材料已应用于建筑、汽车、飞机和家用冰箱制造。