詳細解說陽光動力號結構和技術參數(shù)

　　2010年，陽光動力號飛機實現(xiàn)了人類歷史上有人駕駛太陽能飛機的首次晝夜連續(xù)飛行，稱得上太陽能-電動力航空發(fā)展史上的一個里程碑。這架翼展與空客A340飛機相當，而重量僅相當于一輛普通小汽車的飛機，在結構和氣動力技術、能量管理等方面采用了一些創(chuàng)新設計。

　　陽光動力飛機項目于2003年由瑞士神經學醫(yī)生、探險家勃蘭特皮卡德正式發(fā)起。項目包括單座型技術驗證機HB-SIA和雙座型HB-SIB兩架飛機。 HB-SIA于 2007年完成最終設計，2010年7月7日開始進行了26小時的連續(xù)飛行,首次實現(xiàn)了晝夜太陽能循環(huán)飛行驗證。今年該機還將進行其他驗證飛行試驗。

　　HB-SIB雙座型飛機用于實現(xiàn)創(chuàng)紀錄飛行，主要特點是使用了增壓座艙和更先進的航空電子設備。該機2011年開始制造，按照計劃2012年開始執(zhí)行包 括橫跨美國大陸、大西洋和太平洋的多天飛行任務，2013年將用20～25天時間分階段完成零燃料環(huán)球飛行。

　　整個陽光動力飛機項目預算是9800萬美元，得到了德意志銀行、歐米茄公司、瑞士訊達集團、蘇威集團、歐洲航天局、達索飛機公司和國際航空運輸協(xié)會等的資金資助和技術支持，瑞士聯(lián)邦技術學院（IEPFL）是項目指定的官方科學顧問。

　　陽光動力飛機實現(xiàn)晝夜連續(xù)飛行的方式是，安裝鋰聚合物電池作為電能存儲裝置，晝間飛行時將太陽能電池陣列的富余電能儲存起來，夜間飛行時為電機供電。 由于蓄電池存儲的電能有限，還采用電能轉化成勢能的方式，即白天利用富余電能推動飛機爬升到較高的高度，夜間飛行時，逐步降低飛行高度，將勢能轉化成動 能，使飛機保持空中飛行。

　　飛機所面臨的最大難題是能源的有效使用和管理。在正午時（典型低緯度地區(qū)），陸地表面每平方米可以獲得的太陽能光能大約為1千瓦。全天24小時平均分 攤，每平方米面積可以獲得的太陽能光能只有約260瓦。陽光動力號飛機太陽能電池面積200米2，太陽能-電動力推進系統(tǒng)的總效率12%，因此飛機電 機獲得的平均功率不足6千瓦——與萊特兄弟1903年進行人類歷史上首次動力飛行時能量大致相當。陽光動力飛機需從太陽能電池到螺旋槳進行全面優(yōu)化以 充分利用這有限的能量，并實現(xiàn)不使用燃料的晝夜飛行。

　　陽光動力飛機的翼展與A340大型客機相當，而重量大約只是A340的1/200，因此飛機在設計和制造過程中遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。

　　將典型客機（A320和波音737）和戰(zhàn)斗機與太陽能飛機進行結構重量分解對比，這些常規(guī)飛機的結構和推進系統(tǒng)重量占全機最大起飛重量的 40%，而太陽能飛機這一數(shù)值卻高達85%。主要問題是在當前的技術水平條件下，太陽能-電動力系統(tǒng)的重量很大，遠遠超過常規(guī)的噴氣發(fā)動機以及活塞發(fā)動 機。在所能獲得的能源有限，太陽能-電動力系統(tǒng)重量無法有效降低的條件下，要完成飛機設計難度極大。

　　太陽能—電動力推進系統(tǒng)

　　陽光動力飛機太陽能-電動力系統(tǒng)主要可以分成兩部分：提供基本電能的太陽能電池系統(tǒng)；安裝在翼下和動力艙內的電能存儲和機械推進系統(tǒng)，包括蓄電池、電機、螺旋槳、減速器、能量管理系統(tǒng)等。

　　太陽能電池

　　太陽能電池由11628塊柔性單晶硅電池組成，總面積200米2，總重量96千克。太陽能電池質地輕盈，且韌性好，可與機翼結構一起變形，但不承載。

　　單塊電池規(guī)格125毫米125毫米，厚度僅150微米，額定輸出電壓0.6伏（隨溫度和負載變化）。每333塊電池構成一個模塊，標準輸出電壓200 伏。每個模塊都由最大功率點跟蹤器（MPPT）控制，每個MPPT可以控制多達4個模塊，整個太陽能電池共有36個MPPT。

　　動力系統(tǒng)吊艙

　　該機翼下兩側共安裝4個動力系統(tǒng)吊艙，動力系統(tǒng)吊艙基本結構包括碳纖維管材構成的空間桁架結構和外殼，桁架結構用于安裝動力系統(tǒng)部件，與機翼連接傳遞載 荷，外殼起到氣動整流罩和包覆/保護作用。每個吊艙內都安裝有一臺功率為7460瓦的電機、一個鋰聚合物電池電池組（每組包含70節(jié)電池單體）、控制充電 門限值和溫度的電池管理系統(tǒng)。吊艙內安裝有隔熱系統(tǒng)，用于保存電池產生的熱輻射，這樣保證系統(tǒng)在8500米高空的-40℃低溫環(huán)境下也能正常工作。電機和 直徑3.5米的兩葉螺旋槳之間有一個減速箱，能夠將螺旋槳轉速限制在400轉/分之內。

　　蓄電池

　　鋰聚合物電池儲存系統(tǒng)的單節(jié)電池輸出電壓4.2伏（完全充滿電）～3.2伏（完全放電），70節(jié)電池構成一個電池組，電池組標準輸出電壓290伏，正常工 作溫度范圍15～35℃，全機電池組總電量86千瓦時，電池比能量約200～220瓦時/千克，電池總重量400～436千克，占全機重量的1／4。

　　蓄電池重量也很大，因此需要顯著降低飛機其他部分的重量，才能使整個能源供應鏈最優(yōu)化，并使大展長機翼和翼型最大限度地實現(xiàn)氣動力性能。

　　結構和材料

　　陽光動力飛機總重1600千克，其結構重量雖然限定在數(shù)百千克，但是仍要保證足夠的剛度以及飛行操縱特性等要求。

　　為保證低速性能和獲得足夠的太陽能電池安裝面積，機翼采用翼展超大的彈性結構設計。要滿足大撓度、變體結構，需進行復雜的多學科設計/分析方法，并 確保超大尺寸、大撓度結構特性與飛行控制系統(tǒng)協(xié)調一致，否則可能發(fā)生如太陽神無人駕駛太陽能飛機一樣的嚴重墜毀事故。

　　機體選用一些新型重量輕、強度高的材料，包括碳纖維復合材料，以及泡沫、塑料蒙皮等特殊材料。

　　機翼結構

　　飛機翼展長達63.4米，機翼結構的主體是61米的盒形梁（主翼盒）。盒形梁分成5段，包括中央段、左右兩側中間段和翼尖段，中央段長約20米，中間段和 翼尖段長約10米，中央段和中間段為等截面，翼尖段截面由內向外逐步減小。各段翼盒之間用4組接頭連接。翼盒四面分別由前、后墻和上、下壁板構成，內部翼 肋按大約0.5米間隔布置，共有約120根。翼肋外輪廓近似矩形（翼型剖面），前后各有一個近似矩形的大型減輕孔。翼肋為兩面碳纖維面板加中間蜂窩夾芯結 構。

　　盒形梁約占弦長的20%，前部連接機翼固定前緣，后部連接固定后緣，固定后緣后面連接副翼和襟翼。

　　前緣和后緣各有120根碳纖維復合材料管構成的桁架式翼肋，肋間距0.5米，翼肋具有重量輕、承載能力強的特點。上翼面透明蒙皮內部封裝太陽能電池系統(tǒng)，下翼面蒙皮采用輕質柔性薄膜。

　　后緣襟翼和副翼為單梁多肋結構，表面覆蓋高強度透明薄膜蒙皮。

　　機身結構

　　機身包括前部吊艙式駕駛艙和矩形截面棱錐體細長尾梁/后機身。尾梁/后機身骨架為碳纖維復合材料管材桁架結構。駕駛艙骨架為碳纖維復合材料板件（部分為帶 有蜂窩夾芯）空間拼接結構，包括2個左右側板、2個底板、1個后側板、1個頂板、中部支撐板（座椅后側），以及儀表板和單獨的底板。駕駛艙中央布置駕駛員 座椅，前部為儀表板，內部還布置有操縱系統(tǒng)部件和其他系統(tǒng)設備。

　　流線型駕駛艙外罩為整體氟氯化碳（CFC）蜂窩加泡沫結構，并與機身龍骨相連（從前向后套在骨架外邊），將駕駛艙完全封閉。

　　尾翼結構

　　平尾展長約10米，總重量只有十幾千克。水平安定面骨架為碳纖維復合材料盒形梁加桁架肋結構，外表包覆高強度薄膜蒙皮。水平安定面后面鉸接升降舵，升降舵 也為碳纖維復合材料單梁多肋結構，梁采用較獨特的三角形結構，肋為三角形桁架，外面包覆透明的高強度薄膜蒙皮。平尾翼肋約22根，其中2個為端肋。

　　垂尾包括垂直安定面和方向舵兩部分，展長約6米，弦長約2米，結構與平尾基本相同。共有13根肋，包括2根端肋，2根與尾梁連接的中央肋和9根中間肋。

　　起落架

　　采用自行車式可收放起落架，包括駕駛艙下部的主起落架、垂尾底部小尺寸輔助尾輪、中段機翼下部安裝左右輔助起落架。主起落架承受大部分機體重量，機輪-支柱結構強度很高，也較為復雜，高度近2米，撐桿-收放作動筒位于后部。

　　輔助起落架支柱長度約3米，下端安裝小尺寸機輪，后部撐桿-收放作動筒與支柱一起呈y形。主起支柱和兩側翼下輔助支柱都向后收，收起位置分別為貼著駕駛艙底部和機翼下表面，順氣流方向。起落架系統(tǒng)部件主要采用金屬材料。

　　航電系統(tǒng)和其他系統(tǒng)

　　安裝在飛機上的大量電子系統(tǒng)一方面連接包括太陽能電池在內的推進系統(tǒng)鏈路，另一方面連接包括中央計算機在內的所有飛行控制儀表系統(tǒng)。其主要功能是將太陽 能電池輸出的電能輸送給電機和電池，向飛行員提供控制飛機所需的必要信息，并向在地面進行飛機航跡和特性跟蹤的任務小組提供實時信息。

　　歐米茄公司為陽光動力飛機提供了歐米茄儀表，可以保證飛行員控制飛機傾斜角精度在1度之內。歐米茄儀表的其他關鍵功能是為飛行員提供實際航向信息。由 于陽光動力飛機翼展超大，且重量極輕，因此對于空氣流動，特別是造成飛機側向漂移的側風非常敏感。通過控制面板上安裝的發(fā)光二極管（LED），飛行員 能夠知道精度1以內的航向數(shù)據。

　　與陽光動力飛機上的其他部件一樣，機載電子設備為實現(xiàn)效率最高和重量最輕目標進行了優(yōu)化設計。在飛行期間，飛行高度高低變化造成了顯著的溫度變化，但是溫度變化一定不能影響電子系統(tǒng)的正常工作。

　　機載計算機系統(tǒng)收集和分析數(shù)百個飛行管理參數(shù)，向飛行員提供決策依據信息，并向地面小組傳送關鍵數(shù)據，而且最重要的是根據特定飛行狀態(tài)以及蓄電池充電/放電狀態(tài)調節(jié)電機最佳功率。