“陽光動力號”(Solar Impulse)是一架完全依靠太陽能飛行、擁有與空中客車A340飛機一樣長的翼展、重量只相當于一輛中等轎車的飛機?!瓣柟鈩恿μ枴憋w機是由一批致力于環保事業的瑞士科學家、工程師和探險家研制開發,預計在2012年,“陽光動力號”飛機將開始環球旅行。
開發歷史
飛機一直是生態學家眼中可怕的污染源,一架飛機排放的污染物相同于500輛裝有觸媒
轉化器的汽車的排放量,零排放飛機一直是飛機工業發展的目標。太陽能飛機已經不是一個新鮮的概念,1981年,世界上就出現了第一架太陽能飛機,經過20多年的發展,太陽能電池技術日趨成熟,但是,一直沒有一架太陽能飛機能夠進行晝夜連續飛行。
從2003年開始,來自世界各地的56名工程師及上百位顧問就開始研制一架能實現晝夜飛行的太陽能飛機,他們的目標就是要制作一架完全由太陽能驅動的飛機,而且在飛行期間不消耗任何發動機燃料,也不排放任何污染物質。經過多年的努力,2009年12月,第一架“陽光動力號”飛機正式完工。
這一先鋒項目的主腦是一支由洛桑聯邦理工學院的工程師和科學家組成的團隊,這一團隊的領軍人是航空工程師兼飛行員的安德烈·博爾施伯格(André Borschberg)和精神病學家兼探險家的伯特蘭·皮卡德(Bertrand Piccard)。
伯特蘭·皮卡德出自一個探險家的家庭。他的父親雅克是世界上第一個潛到馬里亞納海溝的人 - 世界海洋的最深的部分(10916米);而他的祖父奧古斯特是第一個乘坐熱氣球飛升到平流層,鳥瞰地球曲率的人。伯特蘭也也創下過世界第一的記錄:1999年,他曾乘坐熱氣球不停歇地環繞地球。他打算再次以乘坐陽光動力的飛機環繞地球,但這次不需要燃料。
技術參數
“陽光動力號”飛機原型機翼采用類似空中客車A340的機翼(63.4米),機翼上集成了200平方米的光伏電池面板,由12000塊薄度僅為180微米的單晶硅光伏電池板組成,但機身僅重1500公斤比傳統飛機輕1600公斤,飛機主架結構使用的是含碳素纖維和蜂巢的復合材料,以三明治式夾層法壓制合成。
設計平均航速每小時為70公里,能在8500米的高度巡航,甚至能夠在零下40攝氏度的環境下飛行。飛機機翼下方設有4臺發動機艙,各備有1臺發動機、一個配有70多個蓄電池組的聚合鋰電池,夜間飛行所需要的額外動力來自這組400公斤的鋰聚合物電池和一個調節充放電及溫度的控制系統。每臺發動機的最大功率為10馬力。
特色
“陽光動力號”飛機能進行晝夜飛行。飛機將在日出時出發,高度逐漸上升,在上升過程中,太陽能充電一直在進行;飛機最終能夠攀升到9000米的高空,此時,蓄電池已經充滿,但夜晚也即將來臨;日落后,飛行高度和蓄電量都達到峰值的飛機開始使用蓄電池中的電量提供飛行動力,同時高度開始下降至1500米,以減少能耗。只要操作得當,蓄電池中的電量足以支撐到第二天日出之時。
能量收集和儲存
項目組精心選出11628塊薄度僅為150微米的單晶硅光伏電池板,不僅質地輕盈韌性好
而且效率極高。實際上,其效能還可以高出22%,但重量也會相應增加,將會對夜間飛行造成負面影響。因此,該項目主要的制約因素是在鋰聚合物電池中儲存能量。在現階段,最大的能量密度為220Wh/Kg。為滿足夜間飛行,蓄電池將重達400公斤,占整架飛機總重量的四分之一。
結構和材料
制造一架翼長達63.4米,重量僅為1600公斤的飛機,還要確保必需的堅固性、輕巧性及空中可操作性,這一科學禁地,至今無人涉足。陽光動力主架構使用的是含碳素纖維和蜂巢的復合材料,以三明治式夾層法壓制合成。其機翼,上表面是由封裝太陽能電池板組成的覆蓋層,下表面則裹著一層高度靈活的薄膜電阻。120條碳纖維的翼肋按50厘米的間距均勻分布,勾勒出上下兩層,形成優美的流線型,
能量資源
正午時分,地球表面每平方米可接受相當于1000瓦或1.3馬力的光能。按24小時平均計算,每平方米分攤的太陽能僅有250瓦。如果按照現有表面積200平方米光伏電池板及整個驅動系統12%的能效計算,其引擎的最高功率只能達到8馬力或6000瓦,勉強相當于萊特兄弟在1903年發明的第一架機械飛機的水平。
驅動系統
機翼下方設有四個發動機艙,個配有一個10馬力的發動機、一個鋰聚合物電池組和一個調節充放電及溫度的控制系統。此外,還設計了一層保溫層,旨在保護電池組發散的熱量,以確保它們在8500米的高空、零下40度的惡劣環境下仍然可以繼續工作。每個發動機均配有一個速減器,將直徑為3.5米的雙葉式螺旋推進器的轉速控制在200-400轉/分鐘。
飛行計劃
按照計劃,“陽光動力號”定于2010年3月進行機場環飛。這種實驗中,飛機將在1小時的時間內保持在1000米的高度。4月,飛機會進入太陽能飛行階段。5月,飛機將進一步提升試飛的高度、時間和里程。
從2010年6月開始,“陽光動力號”會在瑞士境內完成環行夜間飛行。飛機從太陽升起時起飛,爬升至8000至9000米的高空;當“太陽落山”,飛機便降低至1500米左右的高度;當星星掛滿天際時,“陽光動力號”便開始啟用存儲的能量,并等待第二天的陽光。
預計在2012年,“陽光動力號”飛機將開始環球旅行。飛機可能從中國起飛,途經日本、夏威夷后抵達歐洲,不過,目前(2010年3月1日)具體的飛行路線和時間并未最終確定。
前景
國際航空運輸協會希望能在2050年實現飛行器的碳排放量為零。陽光動力公司設想,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,才可能使機上人數增加。40多年后,能承載300名乘客的全太陽能飛機有望正式投入運營。
伯特蘭·皮卡德
伯特蘭·皮卡德1958年3月1日誕生在洛桑的一個探險家兼科學家的家庭。他的祖父是第一位深入同溫層的探險家,并發明了深海潛水器,后來他的父親就是用這種深海潛水器潛入到海洋的最深處。伯特蘭·阿瑟·威廉·羅素似乎注定要使20世紀的這個最偉大的冒險家族之一永存不衰。這位已有三個子女的父親,科學家-冒險家、精神病學家兼氣球駕駛員,把科學與冒險結合在一起,探索人類的靈魂。
首次26小時晝夜連續試飛成功
世界最大太陽能飛機“太陽動力”(Solar Impulse)在7月8日成功完成首次試飛,創造了26小時零9分鐘的不間斷飛行記錄,這也是太陽能飛機持續時間最長、飛行高度最高的世界記錄。
當天早晨8點,“太陽驅動”由該項目總裁、瑞士探險家安德烈-勃希伯格(Andre Borschberg)駕駛,在距瑞士首都伯爾尼西南大約30英里(約合48公里)的帕耶那機場,成功完成首次晝夜試飛。飛機剛一落地,工程師們便匆忙跑上前去,將“太陽驅動”穩定住,以防其207英尺(約合63米)長的翼展刮到地面,令飛機傾覆。
這次創紀錄的飛行壯舉歷時七年規劃,令這個由瑞士主導的項目距離其僅僅利用太陽能進行環球飛行的目標更近一步。勃希伯格在“太陽驅動”著陸后對記者表示:“我們取得的成績超出預想。每個人都興奮不已。這個夜晚真是漫長,所以,在早晨看到黎明的第一縷陽光時,感覺就像是上帝給我們大家的禮物。”
單座“太陽驅動”實驗飛機表面覆蓋內含1.2萬個太陽能電池的嵌板,可以收集陽光,為驅動安裝在機翼的螺旋槳的四個電動機供電。據項目團隊介紹,“太陽驅動”采用超輕但強度極大的碳纖維材料制造,在克服了令之前一次飛行嘗試推遲的設備故障后,于7日早晨7點左右離開帕耶那機場。
在這次試飛成功后,按計劃,“太陽驅動”的另一架樣機將在今年嘗試不間斷環球旅行,這架樣機的翼展達262.5英尺(約合80米)?!疤栻寗印钡闹亓客惠v中型汽車差不多,在這架太陽能飛機飛越侏羅山向瑞士阿爾卑斯山以西進發時,沿途晴空萬里,它可以吸收到充足的太陽能。
到上午10點左右,勃希伯格駕駛飛機以9850英尺(約合3000米)的高度飛行,以避免遇到在高山區很常見的熱成風和低空渦流。按計劃,勃希伯格在夜幕降臨前令飛機上升至2.79萬英尺(約合8500米)的高度,屆時,他再決定是否利用儲存在電池中的太陽能繼續在夜間飛行?!疤栻寗印表椖堪l起人、瑞士探險家貝特朗-皮卡爾德(Bertrand Piccard)說:“我們的目標是讓太陽能飛機不用燃料晝夜飛行?!?/p>
首次跨國界飛行
2011年5月13日,世界首架無污染的太陽能飛機進行了第一次跨國界飛行:于當天早上在瑞士西部帕耶訥的一個機場起飛,13個小時后順利抵達布魯塞爾扎芬特姆(Zaventem)機場。
這是該飛機的第五次飛行,之前的四次都沒有飛離瑞士國界。該機首次試飛是在2010年4月,三個月后的7月份完成了連續26小時的飛行,這是太陽能飛機的最高飛行時間記錄。據研發計劃,2013年將有更大機型的太陽能飛機完成環球飛行。
參加2011年巴黎航展
世界最大的太陽能飛機,瑞士制造的“太陽驅動”號當地時間2011年6月14日21點15分成功抵達法國巴黎布爾歇機場,參加20日至26日的巴黎-布爾歇國際航空航天展覽會。
太陽驅動”公司首席執行官安德烈博爾施伯格親自駕駛飛機,從布魯塞爾國際機場出發,經過16小時零5分鐘的飛行,成功完成了這段距離為293公里的跨國飛行。
“太陽驅動”號曾于11日首次嘗試從布魯塞爾飛往巴黎,但由于氣象條件不佳,加上出現機械故障,飛機不得不途中折返,于當天午夜再次回到布魯塞爾機場。
參考資料 >
solarimpulse.www.solarimpulse.com.2010-07-08
人民網:單座太陽能飛機——“陽光動力號”,2009年1月12日.caac.people.com.cn.2010-03-02
人民網:中國館或直播太陽能飛機試飛 可跨晝夜飛行,2010年3月2日.caac.people.com.cn.2010-03-02
新浪網:世界首架太陽能飛機完成首次跨國界飛行.tech.sina.com.cn.2011-05-15