太陽能飛機(jī)的發(fā)展史

太陽能飛機(jī)以太陽輻射作為推進(jìn)能源的飛機(jī)。太陽能飛機(jī)的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機(jī)、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機(jī)上應(yīng)有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設(shè)太陽電池，因此太陽能飛機(jī)的機(jī)翼面積較大。

太陽能飛機(jī)的英文名稱為：solar-powered air plane。它是以太陽輻射作為推進(jìn)能源的飛機(jī)。太陽能飛機(jī)的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機(jī)、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機(jī)上應(yīng)有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設(shè)太陽電池，因此太陽能飛機(jī)的機(jī)翼面積較大。經(jīng)典的機(jī)型有：“挑戰(zhàn)者”號；“太陽神”號；“太陽脈動”號；“天空使者”號；“西風(fēng)”號；“陽光動力”號。

發(fā)展歷史

70年代末，人力飛機(jī)的發(fā)展積累了制造低速、低翼載、重量輕的飛機(jī)的經(jīng)驗。在這一基礎(chǔ)上，美國在80年代初研制出“太陽挑戰(zhàn)者”號單座太陽能飛機(jī)。飛機(jī)翼展14.3米，翼載荷為60帕(6公斤力/米2)，空重90公斤，機(jī)翼和水平尾翼上表面共有16128 片硅太陽電池。在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。這架飛機(jī)1981年7月成功地由巴黎飛到英國，平均時速54公里，航程290公里。太陽能飛機(jī)還處于試驗研究階段，它的有效載重和速度都很低。有人提出設(shè)計一種無人駕駛的高空、低速遙控太陽能飛機(jī)，白天飛行時利用取得的太陽輻射能盡量爬高（或貯能于蓄電池內(nèi)），夜間利用高度作滑翔飛行（或由蓄電池取得能量）。這樣依靠取之不盡的太陽能，可維持長時期的飛行。這樣的飛機(jī)可首先用于氣象觀測和偵察任務(wù)。 2007年11月5日，在瑞士杜本多夫舉行的新聞發(fā)布會上，展出了“陽光脈動”太陽能飛機(jī)樣機(jī)?？蒲腥藛T歷時4年制成了這架太陽能飛機(jī)。瑞士探險家貝特朗·皮卡爾2003年提出太陽能飛機(jī)環(huán)球飛行構(gòu)想，計劃駕駛太陽能飛機(jī)，經(jīng)過5次起降實現(xiàn)環(huán)球晝夜飛行。環(huán)球飛行預(yù)計在2011年開始，這將是太陽能飛機(jī)歷史上首次載人作晝夜、長距離飛行。

國際航空運輸協(xié)會希望能在2050年實現(xiàn)飛行器的碳排放量為零。陽光動力公司設(shè)想，在未來，著重解決光能吸收問題。因為只有大幅度提高電池功效，才可能使機(jī)上人數(shù)增加。40多年后，能承載300名乘客的全太陽能飛機(jī)有望正式投入運營。

太陽能飛機(jī)型號介紹

1.“挑戰(zhàn)者”號

美國在80年代初研制出“太陽挑戰(zhàn)者”號。飛機(jī)翼展14.3米，翼載荷為60帕(6公斤力/米)，飛機(jī)空重90公斤，機(jī)翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太陽電池，在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。

1981年7月7日，第一架以太陽能為動力的飛機(jī)飛過英吉利海峽。這架210磅重的“太陽能挑戰(zhàn)者”號從巴黎西北部25英里以遠(yuǎn)的科邁伊森-維克辛起飛，以平均每小時30英里的速度、1.1萬英尺的飛行高度，完成了全長165英里的旅行，最后在英國東南海岸的曼斯頓皇家空軍基地著陸。

保羅-麥克里迪是該動力裝置的設(shè)計者，他還曾建造第一架人力發(fā)動的飛機(jī)越過海峽。這架“太陽能挑戰(zhàn)者”號是由安裝在機(jī)翼的1.6萬個阻擋層太陽能光電池發(fā)動的，這些電池把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芤酝苿?.7馬力發(fā)動機(jī)。這架飛機(jī)試圖幾次飛過海峽都未成功，此次借助極好的夏日陽光終于達(dá)到目的。飛機(jī)著陸時受到了30人的迎接。

2.“太陽神”號

重量：590公斤

翼展：75米

速度：30-50公里/小時

最著名的太陽能飛機(jī)是AeroVironment公司為NASA的環(huán)境研究機(jī)和傳感器技術(shù)計劃研制的“太陽神號”無人機(jī)。

“太陽神”號耗資約1500萬美元，用碳纖維合成物制造，部分起落架材料為越野自行車車輪，整架飛機(jī)僅重5 90公斤，比小型汽車還要輕。“太陽神”在外形方面的最大特點就是有兩個很寬的機(jī)翼，其機(jī)身長2.4米，而活動機(jī)翼全面伸展時卻達(dá)75米，連波音747飛機(jī)也望塵莫及。

“太陽神”號機(jī)身上裝有14個螺旋槳，動力來源于機(jī)翼上的太陽能電池板。在早晨陽光不是很強(qiáng)烈時，“太陽神”裝備的太陽能電池可以為飛機(jī)提供10千瓦的電能，使飛機(jī)能夠以每秒33米的速度爬高。中午時分，電池提供的電能達(dá)到40千瓦，飛機(jī)的動力性能達(dá)到最佳狀態(tài)，能以每小時30至50公里的巡航速度飛行。晚上，飛機(jī)則依靠儲存的電能進(jìn)行巡航飛行。

2001年研究人員將“太陽神”號運往夏威夷，裝上65000片太陽能板，由地面兩名機(jī)師透過遙控設(shè)備“駕駛”；在10小時17分的飛行中，“太陽神”號達(dá)至22800米的目標(biāo)高度。研究人員預(yù)計“太陽神”號最高可飛到30000米高空，超出噴氣式客機(jī)飛行高度3倍多。

不幸的是，2003年6月26日，“太陽神”在試飛時突然空中解體，墜入夏威夷考艾島附近海域。事后經(jīng)調(diào)查，“太陽神”號在空中飛行36分鐘時突然遭遇強(qiáng)湍流，引起兩個翼端向上彎，致使整個機(jī)翼誘發(fā)嚴(yán)重的俯仰振蕩，超出飛機(jī)結(jié)構(gòu)的扭曲極限。

3.“天空使者”號

重量：2.6公斤

翼展：3.2米

速度：30公里/小時

“天空使者號”實際上是蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院和歐洲宇航局合作設(shè)計的一款太陽能驅(qū)動火星研究飛行器。研究者相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，在10年至20年內(nèi)“天空使者號”將能夠抵達(dá)火星內(nèi)軌道。

“天空使者號”能夠在火星上空飛行，必須滿足以下火星飛行條件：低密度大氣層、微弱的太陽能、多變的風(fēng)向和冰點以下溫度。為了滿足這些限制條件，科學(xué)家們論證得出飛機(jī)的最佳翼展約為3米。而電池重量占了整個飛機(jī)2.6公斤的約一半。

2005年初，科學(xué)家們建造和測試了首臺原型機(jī)，通過手動發(fā)射，該原型機(jī)在地球上空持續(xù)飛行了5小時。原型機(jī)采用了包括西印度輕木慮芯和碳纖維在內(nèi)的剛性輕質(zhì)材料制作而成。飛行器配備了216塊硅太陽能電池，在理想太陽光條件下可以為飛機(jī)提供80瓦特以上的電力。

由于擁有小而輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)，“天空使者號”可以裝載一些高技術(shù)設(shè)備。數(shù)字傳感器可以測量高度和空速，這使飛機(jī)能夠在諸如海岸或者峽谷之類的目標(biāo)上空飛行。攜帶的電荷耦合照相機(jī)(CCD)可拍攝地面圖像。當(dāng)飛機(jī)自動駕駛出現(xiàn)故障時，科學(xué)家還可以通過一個地面控制站監(jiān)控和給飛行中的飛機(jī)發(fā)送指令。

4.“太陽脈動”號

重量：約2噸

翼展：80米，超過空客A380的翼展

時速：70公里/小時

飛行高度：可達(dá)1萬至2萬米。

發(fā)動機(jī)：機(jī)翼上配備4部螺旋槳發(fā)動機(jī)

太陽能鋰電池：超薄型、可抵御零下60℃低溫和80℃的高溫太陽能

板面積：240平方米，能儲存足夠的太陽能，讓飛機(jī)在黑夜中靠鋰電池驅(qū)動螺旋槳

載人環(huán)球行將飛經(jīng)深圳

2007年～2008年前后，科學(xué)家將制出一架機(jī)翼翼展60米的“太陽脈動”號樣機(jī)，進(jìn)行短距離夜間飛行。

2009年～2010年，制造出翼展為80米的樣機(jī)，實現(xiàn)長距離不間斷飛行，比如飛越大西洋和跨洲飛行。

2010年5月開始，“太陽脈動”號將進(jìn)行有著陸環(huán)球試飛，從歐洲出發(fā)，在波斯灣著陸，又從好望角到中國南部的深圳，再飛越太平洋到加州，最后經(jīng)紐約和巴黎回國。途中在每個大陸著陸一次，每個航段持續(xù)4~5天，這是飛行員能夠承受的極限。

當(dāng)電池效率達(dá)到足夠水平，使重量得以進(jìn)一步減輕時，“太陽脈動號”將改裝成可載兩人，在北半球最終完成不著陸、無燃料環(huán)球飛行，平均速度每小時80公里。

5.“西風(fēng)”號太陽能飛機(jī)

重量：33公斤

翼展：12.2米

速度：70米/秒

2006年8月，英國科學(xué)家研制的全球首架太陽能無人偵察機(jī)——“西風(fēng)”(Zephyr)號試飛成功。該機(jī)采用全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航，最大飛行高度可以達(dá)到40000米。它依靠太陽能電池提供動力，可持續(xù)飛行3個月之久，對目標(biāo)實施長時間的高密度監(jiān)控。預(yù)計未來兩年，它將被廣泛用于阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場。

從2003年到2012年，研究人員已先后制造了四架樣機(jī)，它非常輕巧，總重量僅33千克。機(jī)翼由碳素纖維制成，寬12.2米，表面覆蓋著一塊塊太陽能電池面板，收集到的太陽能一方面驅(qū)動螺旋槳，一方面儲存到40節(jié)鋰電池中，供夜間使用。為防止機(jī)身表面溫度過高，“西風(fēng)”號表面涂滿了一種特殊“太空油脂”。航空潤滑油也是特制的，能在極端氣溫條件下保護(hù)軸承。

雖然體積和重量“縮水”，可是“西風(fēng)”號的功能卻大大增強(qiáng)了，它上面的照相機(jī)可以從18288米的高空，精確拍攝大小僅為25.4厘米的地面目標(biāo)。同時，它還可以接收和傳播特種部隊士兵從遠(yuǎn)方發(fā)送來的無線電信號。

不過，由于“西風(fēng)”號是為高空飛行設(shè)計的，機(jī)身脆弱，動力小，因此完全不能依靠自身動力起飛，尋找一種穩(wěn)定可靠的發(fā)射方式，正是2012年的研制重點。2006年8月初，“西風(fēng)”號模型機(jī)在美國新墨西哥州成功完成試飛，由于它的自身動力過于弱小，在試飛過程中，3名男子順著風(fēng)沿著跑道一路狂奔，才總算將它“送”上藍(lán)天。

6.“陽光動力”號

制造國家：瑞士

制造公司：瑞士陽光動力公司

類型：單座太陽能飛機(jī)

平均時速：70公里

最大飛行高度：8500米

乘員：一名飛行員

從外表上看，HB-SIA "陽光動力號"太陽能飛機(jī)并無任何特殊之處。而實際上它卻凝聚了當(dāng)今世界無數(shù)最新科技成果：機(jī)身由超輕碳纖維復(fù)合材料制成，翼展長達(dá) 63.4米，可比一架波音747-400。然而，擁有如此大翅膀的飛機(jī)，即使包括飛行員在內(nèi)，其重量亦不超過1600公斤，僅相當(dāng)于一輛普通家用汽車，只需兩個成年人便可將其骨架抬起。

HB-SIA"陽光動力號"機(jī)翼下方設(shè)有四個發(fā)動機(jī)艙，各配有一個10馬力發(fā)動機(jī)，一個鋰聚合物電池組和一個調(diào)節(jié)充放電及溫度的控制系統(tǒng)。此外，還設(shè)計了一層保溫層，旨在保護(hù)電池組發(fā)散的熱量，以確保他們能在8500米的高空、零下40度的惡劣環(huán)境下仍然可以繼續(xù)工作，每個發(fā)動機(jī)配有一臺減速器，將直徑為3.5米的雙輪葉式螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速控制在200-400轉(zhuǎn)/分鐘，其中，太陽能電池達(dá)到了11628塊，機(jī)翼上配10748塊，橫向平衡器上配880塊，平均飛行速度理論上是70公里每小時，終極目標(biāo)是實現(xiàn)無燃料消耗的晝夜飛行。

白天，“陽光動力號”上升到9000米的高空，以平均每小時70公里的速度進(jìn)行飛行的同時，將多余的太陽能電力儲存到高性能蓄電池中。到了晚上，重達(dá)400公斤的聚合鋰電池把白天的太陽能轉(zhuǎn)換成電能，可供飛機(jī)夜間持續(xù)飛行8小時。由于碳纖維復(fù)合材料具備耐熱性高的優(yōu)點，飛行員可將白天飛行高度保持在8500到9000米之間，從而達(dá)到最佳的空氣動力學(xué)效率和太陽能利用率。到了晚上，飛行高度降至1500米左右，降少耗電量，待次日太陽升起之后，飛機(jī)才重新回到高空進(jìn)行飽和飛行+飽和充電。

對于使用環(huán)境惡劣儲能成難題。為了提高安全系數(shù)，研發(fā)小組為飛行員提供了一整套高科技裝備。專用的智能馬甲具備防寒功能，能與導(dǎo)航設(shè)備相連。一旦飛機(jī)與預(yù)定航向偏離5度以上，馬甲便會發(fā)出強(qiáng)力脈沖以喚醒沉睡中的飛行員。因此后者可以隨時進(jìn)入深度睡眠，而不必?fù)?dān)心安全問題。此外，電池組表面的保溫層可以阻止熱量散失，從而確保蓄電裝置在8500米高空、零下40攝氏度的惡劣環(huán)境中維持正常運行。

“陽光動力號”首席執(zhí)行官安德烈·博爾施博格透露，當(dāng)前飛機(jī)使用的光伏面板，轉(zhuǎn)換效率大約為20%，飛機(jī)必須飛到9000米的高空才能吸取足夠的光熱。如果進(jìn)行環(huán)球飛行，當(dāng)處于北半球夏天，日照時間更長，但由于太陽升降期間與地平線形成的角度偏低，光伏面板其實無法在整個白天都吸取到光熱。“有長達(dá)14個小時是需要使用電池飛行的，若電池有問題或儲能不足，飛機(jī)不排除自9000米高空墜毀的可能。”此外，飛機(jī)的設(shè)計時速遠(yuǎn)低于噴氣飛機(jī)的時速；此外其座位也被戲稱為“經(jīng)濟(jì)艙”，只能做45度角的調(diào)整。