“阳光动力号”(Solar Impulse)是一架完全依靠太阳能飞行、拥有与空中客车A340飞机一样长的翼展、重量只相当于一辆中等轿车的飞机。“阳光动力号”飞机是由一批致力于环保事业的瑞士科学家、工程师和探险家研制开发,预计在2012年,“阳光动力号”飞机将开始环球旅行。
开发历史
飞机一直是生态学家眼中可怕的污染源,一架飞机排放的污染物相同于500辆装有触媒
转化器的汽车的排放量,零排放飞机一直是飞机工业发展的目标。太阳能飞机已经不是一个新鲜的概念,1981年,世界上就出现了第一架太阳能飞机,经过20多年的发展,太阳能电池技术日趋成熟,但是,一直没有一架太阳能飞机能够进行昼夜连续飞行。
从2003年开始,来自世界各地的56名工程师及上百位顾问就开始研制一架能实现昼夜飞行的太阳能飞机,他们的目标就是要制作一架完全由太阳能驱动的飞机,而且在飞行期间不消耗任何发动机燃料,也不排放任何污染物质。经过多年的努力,2009年12月,第一架“阳光动力号”飞机正式完工。
这一先锋项目的主脑是一支由洛桑联邦理工学院的工程师和科学家组成的团队,这一团队的领军人是航空工程师兼飞行员的安德烈·博尔施伯格(André Borschberg)和精神病学家兼探险家的伯特兰·皮卡德(Bertrand Piccard)。
伯特兰·皮卡德出自一个探险家的家庭。他的父亲雅克是世界上第一个潜到马里亚纳海沟的人 - 世界海洋的最深的部分(10916米);而他的祖父奥古斯特是第一个乘坐热气球飞升到平流层,鸟瞰地球曲率的人。伯特兰也也创下过世界第一的记录:1999年,他曾乘坐热气球不停歇地环绕地球。他打算再次以乘坐阳光动力的飞机环绕地球,但这次不需要燃料。
技术参数
“阳光动力号”飞机原型机翼采用类似空中客车A340的机翼(63.4米),机翼上集成了200平方米的光伏电池面板,由12000块薄度仅为180微米的单晶硅光伏电池板组成,但机身仅重1500公斤比传统飞机轻1600公斤,飞机主架结构使用的是含碳素纤维和蜂巢的复合材料,以三明治式夹层法压制合成。
设计平均航速每小时为70公里,能在8500米的高度巡航,甚至能够在零下40摄氏度的环境下飞行。飞机机翼下方设有4台发动机舱,各备有1台发动机、一个配有70多个蓄电池组的聚合锂电池,夜间飞行所需要的额外动力来自这组400公斤的锂聚合物电池和一个调节充放电及温度的控制系统。每台发动机的最大功率为10马力。
特色
“阳光动力号”飞机能进行昼夜飞行。飞机将在日出时出发,高度逐渐上升,在上升过程中,太阳能充电一直在进行;飞机最终能够攀升到9000米的高空,此时,蓄电池已经充满,但夜晚也即将来临;日落后,飞行高度和蓄电量都达到峰值的飞机开始使用蓄电池中的电量提供飞行动力,同时高度开始下降至1500米,以减少能耗。只要操作得当,蓄电池中的电量足以支撑到第二天日出之时。
能量收集和储存
项目组精心选出11628块薄度仅为150微米的单晶硅光伏电池板,不仅质地轻盈韧性好
而且效率极高。实际上,其效能还可以高出22%,但重量也会相应增加,将会对夜间飞行造成负面影响。因此,该项目主要的制约因素是在锂聚合物电池中储存能量。在现阶段,最大的能量密度为220Wh/Kg。为满足夜间飞行,蓄电池将重达400公斤,占整架飞机总重量的四分之一。
结构和材料
制造一架翼长达63.4米,重量仅为1600公斤的飞机,还要确保必需的坚固性、轻巧性及空中可操作性,这一科学禁地,至今无人涉足。阳光动力主架构使用的是含碳素纤维和蜂巢的复合材料,以三明治式夹层法压制合成。其机翼,上表面是由封装太阳能电池板组成的覆盖层,下表面则裹着一层高度灵活的薄膜电阻。120条碳纤维的翼肋按50厘米的间距均匀分布,勾勒出上下两层,形成优美的流线型,
能量资源
正午时分,地球表面每平方米可接受相当于1000瓦或1.3马力的光能。按24小时平均计算,每平方米分摊的太阳能仅有250瓦。如果按照现有表面积200平方米光伏电池板及整个驱动系统12%的能效计算,其引擎的最高功率只能达到8马力或6000瓦,勉强相当于莱特兄弟在1903年发明的第一架机械飞机的水平。
驱动系统
机翼下方设有四个发动机舱,个配有一个10马力的发动机、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,旨在保护电池组发散的热量,以确保它们在8500米的高空、零下40度的恶劣环境下仍然可以继续工作。每个发动机均配有一个速减器,将直径为3.5米的双叶式螺旋推进器的转速控制在200-400转/分钟。
飞行计划
按照计划,“阳光动力号”定于2010年3月进行机场环飞。这种实验中,飞机将在1小时的时间内保持在1000米的高度。4月,飞机会进入太阳能飞行阶段。5月,飞机将进一步提升试飞的高度、时间和里程。
从2010年6月开始,“阳光动力号”会在瑞士境内完成环行夜间飞行。飞机从太阳升起时起飞,爬升至8000至9000米的高空;当“太阳落山”,飞机便降低至1500米左右的高度;当星星挂满天际时,“阳光动力号”便开始启用存储的能量,并等待第二天的阳光。
预计在2012年,“阳光动力号”飞机将开始环球旅行。飞机可能从中国起飞,途经日本、夏威夷后抵达欧洲,不过,目前(2010年3月1日)具体的飞行路线和时间并未最终确定。
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。
伯特兰·皮卡德
伯特兰·皮卡德1958年3月1日诞生在洛桑的一个探险家兼科学家的家庭。他的祖父是第一位深入同温层的探险家,并发明了深海潜水器,后来他的父亲就是用这种深海潜水器潜入到海洋的最深处。伯特兰·阿瑟·威廉·罗素似乎注定要使20世纪的这个最伟大的冒险家族之一永存不衰。这位已有三个子女的父亲,科学家-冒险家、精神病学家兼气球驾驶员,把科学与冒险结合在一起,探索人类的灵魂。
首次26小时昼夜连续试飞成功
世界最大太阳能飞机“太阳动力”(Solar Impulse)在7月8日成功完成首次试飞,创造了26小时零9分钟的不间断飞行记录,这也是太阳能飞机持续时间最长、飞行高度最高的世界记录。
当天早晨8点,“太阳驱动”由该项目总裁、瑞士探险家安德烈-勃希伯格(Andre Borschberg)驾驶,在距瑞士首都伯尔尼西南大约30英里(约合48公里)的帕耶那机场,成功完成首次昼夜试飞。飞机刚一落地,工程师们便匆忙跑上前去,将“太阳驱动”稳定住,以防其207英尺(约合63米)长的翼展刮到地面,令飞机倾覆。
这次创纪录的飞行壮举历时七年规划,令这个由瑞士主导的项目距离其仅仅利用太阳能进行环球飞行的目标更近一步。勃希伯格在“太阳驱动”着陆后对记者表示:“我们取得的成绩超出预想。每个人都兴奋不已。这个夜晚真是漫长,所以,在早晨看到黎明的第一缕阳光时,感觉就像是上帝给我们大家的礼物。”
单座“太阳驱动”实验飞机表面覆盖内含1.2万个太阳能电池的嵌板,可以收集阳光,为驱动安装在机翼的螺旋桨的四个电动机供电。据项目团队介绍,“太阳驱动”采用超轻但强度极大的碳纤维材料制造,在克服了令之前一次飞行尝试推迟的设备故障后,于7日早晨7点左右离开帕耶那机场。
在这次试飞成功后,按计划,“太阳驱动”的另一架样机将在今年尝试不间断环球旅行,这架样机的翼展达262.5英尺(约合80米)。“太阳驱动”的重量同一辆中型汽车差不多,在这架太阳能飞机飞越侏罗山向瑞士阿尔卑斯山以西进发时,沿途晴空万里,它可以吸收到充足的太阳能。
到上午10点左右,勃希伯格驾驶飞机以9850英尺(约合3000米)的高度飞行,以避免遇到在高山区很常见的热成风和低空涡流。按计划,勃希伯格在夜幕降临前令飞机上升至2.79万英尺(约合8500米)的高度,届时,他再决定是否利用储存在电池中的太阳能继续在夜间飞行。“太阳驱动”项目发起人、瑞士探险家贝特朗-皮卡尔德(Bertrand Piccard)说:“我们的目标是让太阳能飞机不用燃料昼夜飞行。”
首次跨国界飞行
2011年5月13日,世界首架无污染的太阳能飞机进行了第一次跨国界飞行:于当天早上在瑞士西部帕耶讷的一个机场起飞,13个小时后顺利抵达布鲁塞尔扎芬特姆(Zaventem)机场。
这是该飞机的第五次飞行,之前的四次都没有飞离瑞士国界。该机首次试飞是在2010年4月,三个月后的7月份完成了连续26小时的飞行,这是太阳能飞机的最高飞行时间记录。据研发计划,2013年将有更大机型的太阳能飞机完成环球飞行。
参加2011年巴黎航展
世界最大的太阳能飞机,瑞士制造的“太阳驱动”号当地时间2011年6月14日21点15分成功抵达法国巴黎布尔歇机场,参加20日至26日的巴黎-布尔歇国际航空航天展览会。
太阳驱动”公司首席执行官安德烈博尔施伯格亲自驾驶飞机,从布鲁塞尔国际机场出发,经过16小时零5分钟的飞行,成功完成了这段距离为293公里的跨国飞行。
“太阳驱动”号曾于11日首次尝试从布鲁塞尔飞往巴黎,但由于气象条件不佳,加上出现机械故障,飞机不得不途中折返,于当天午夜再次回到布鲁塞尔机场。
参考资料
solarimpulse.www.solarimpulse.com.2010-07-08
人民网:单座太阳能飞机——“阳光动力号”,2009年1月12日.caac.people.com.cn.2010-03-02
人民网:中国馆或直播太阳能飞机试飞 可跨昼夜飞行,2010年3月2日.caac.people.com.cn.2010-03-02
新浪网:世界首架太阳能飞机完成首次跨国界飞行.tech.sina.com.cn.2011-05-15