【科普】锂电池和太阳能电动飞机

2015-03-13 11:06:18 太阳能发电网
未来谁将可能引领通用飞机技术的革命性发展?在环境友好、高效节能、结构简化方面,电动飞机或许是最好的答案。最近十多年,各类电动飞机研制进展迅速,小型锂电池电动无人机已被广泛使用,商品化有人锂电池飞机正在开发中,有人太阳能电动飞机已经开始分阶段环球飞行。本文将主要介绍取得突破性进展的锂电池和


  “阳光动力”
  “阳光动力”项目由瑞士神经学医生、探险家伯特兰•皮卡德(Bertrand Piccard)发起,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)等多家研究机构提供技术支持,是世界上第一款具有昼夜连续飞行能力的有人驾驶太阳能飞机。为了宣传节能环保,推动可再生能源的开发和利用,“阳光动力”飞机进行了多项历史性创纪录飞行,并将实现横跨美国大陆和跨大西洋、太平洋的分阶段环球飞行。
  “阳光动力”项目正式命名于2003年下半年,此后伯特兰•皮卡德成立了阳光动力公司开展飞机的研制工作。2003年底环球飞行太阳能飞机的初步方案出台,“阳光动力”飞机项目正式发起,伯特兰作为项目总负责人,领导飞机研制、寻找合作伙伴、募集资金等工作。工程师、飞行员和管理专家安德烈•博尔施博格(Andre Borschberg)担任CEO,负责搭建技术团队和监督飞机制造。两人同时还是“阳光动力”飞机的试飞员和驾驶员。“阳光动力”飞机研制团队集合了欧洲众多技术资源,团队成员均为航空技术领域相关专业的专家,有着卓越的才能和合作精神,此外,还得到了100多位专家顾问和数家国际知名企业和机构的鼎力支持。

  美国太阳能飞行公司 “寻日器”

  “阳光动力”号飞机共有两架,分别为用于验证昼夜连续飞行技术的单座型技术验证机——“阳光动力”1号和双座型创纪录飞行飞机——“阳光动力”2号。“阳光动力”1号于2009年年中完成制造并进行首次地面高速滑跑试验;2010年实现首飞并完成了昼夜连续飞行26小时等飞行验证试验;2012年年中实现了横跨欧洲和非洲总航程6000千米的飞行;2013年中,实现分段横跨美国大陆的飞行。“阳光动力”2号于2013年完成制造,2014年6月成功首飞,继续进行一系列后续试验后,预计将于2015年开始分阶段环球飞行。
  “阳光动力”1号的飞行是昼夜连续式的。锂聚合物电池作为电能存储装置,昼间飞行时将太阳能电池阵列的富余电能储存起来,夜间飞行时为电机供电。由于蓄电池存储的电能有限,还采用了电能转化成势能的方式,即白天利用富余电能推动飞机爬升到较高高度,夜间飞行时,逐步降低飞行高度,将势能转化成动能,使飞机保持空中飞行。
  2004-2006年是“阳光动力”1号飞机研制的概念发展阶段,设计方案在此期间定型,最初的方案主要包括双发布局、卵形驾驶舱四发布局和一体式机身四发布局三种,经过多次调整和优化后,最终确定了一体式机身外形和布局。2007年,开始进行详细设计和原型机试制,陆续研制出了各种结构工程试验件、飞机系统设备和地面飞行模拟器,并进行了大量的试验和测试,包括结构强度检测、动力系统(电机-螺旋桨、锂-聚合物电池、控制系统、吊舱结构等)试验,以及全机振动试验等。

  “阳光动力”1号横跨美国飞行

  “阳光动力”飞机的设计和制造面临了前所未有的技术挑战,为此,研发团队首先研制出了一架单座型技术验证飞机进行全面的技术验证,特别是夜间飞行技术的验证。飞机夜间飞行时为了避开航线上的云层区域,需要选用曲折蜿蜒的飞行路线,因此飞行方式更为复杂。2005年到2008年间,验证机在真实气象状况下进行多次模拟飞行,用于评估其整个夜间的飞行能力。“阳光动力”1号技术验证原型机,用于实现36小时空中连续飞行,采用了非增压座舱设计,2009年年中完成制造,2010年4月实现首次高高度飞行,飞机凭借蓄电池电能飞到了1200米高度,飞行时间87分钟。同年5月,首次完全使用太阳能电池动力飞行,飞行过程中太阳能电池还向蓄电池充电,此后,在进行26小时连续飞行实验时首次实现昼夜太阳能循环。
  “阳光动力”1号飞机的研制和试验花费了近百名专家7年的时间,期间,获得了大量宝贵的创新经验,从最初的概念构想到各项任务的顺利完成,均实现了巨大技术进步。在此之后,研发团队又开发出了双座型“阳光动力”2号,用于执行超长续航时间飞行任务,包括横跨美洲大陆和大西洋,以及分段环球飞行。
  “阳光动力”2号可实现环球飞行,其主要特点是尺寸加大,使用增压座舱和更先进的航电系统。2013年制造完成,计划2015年分阶段完成环球飞行。
  “阳光动力”2号的设计目标是能够实现5昼夜连续飞行,因此相对于“阳光动力”1号进行了大量设计变动,机翼及动力舱布局全面更改,起落架、驾驶舱和机身也大幅度改进。“阳光动力”2号全机重量2300千克,整机结构重量效率达到普通滑翔机的十倍,并且内部有足够大的空间。其机身为全碳纤维复合材料加蜂窝夹芯结构,所用碳纤维薄板材料密度只有普通打印纸的1/3。机翼上表面蒙皮内封装太阳能电池板,下表面采用高强度柔性蒙皮。机翼具有良好的刚度和气动外形,翼展72米,超过波音747大型客机。锂电池系统使用高密度泡沫绝缘体包覆,安装在四个动力舱内。再加上单晶硅太阳能电池,电池总重约为全机重量的四分之一。四台电机安装在翼下动力舱内,通过减速器驱动双叶螺旋桨。整个系统效率94%,达到创纪录的水平。
  “阳光动力”2号的飞行速度范围为36~140 千米/小时,与小汽车大致相当。为了存储能量,飞机在昼间爬升到8500米高度,夜间下降到1500米高度。全机24小时飞行平均功率为15马力,与一辆摩托车相当。驾驶舱的设计保证单人连续飞行5~6个昼夜,能够适应外界环境-40°C~40° C的温度范围。驾驶舱容积3.8立方米,可载有氧气瓶组、降落伞、救生筏,以及一周的饮食供应等。
  研制“阳光动力”飞机面临极大的技术挑战,许多技术难题是世界航空历史上前所未有的。研制团队凭借开拓创新、探索未知领域的精神,超越技术极限,独辟蹊径创造性地找到最佳解决方案,使飞机研制一步一步走向成功。
  “阳光动力”项目历时12年,预算9800万美元,完成的工作包括:可行性研究、方案研究、设计和构件制造、2架飞机(1架单座验证机和1架双座创纪录飞行飞机)制造等。负责和参与项目的共有50名工程师和技术人员,80家合作伙伴,100多家顾问和供应商。瑞士联邦技术学院作为官方科学顾问,提供了各种研发能力极为强大的尖端实验室。此外,欧洲航天局(SEA)、达索飞机公司和国际航空运输协会也提供了技术支持。由于在开发“阳光动力”太阳能飞机方面的杰出贡献,特兰•皮卡德和安德烈•博尔施博格以及整个飞机研制创新团队都赢得了国际社会授予的高度荣誉。2009年,伯特兰和安德烈被授予布伦瑞克奖(Brunswick Prize),该奖用于表彰对经济和社会做出杰出贡献的科学家。2010年1月,职业航空和航天记者协会授予了他们伊卡洛斯奖(Icarus Award)。
  期待“阳光动力”2号完成环球飞行的创举,推动太阳能电动飞机技术达到更高的高度!


作者: 来源:新华网 责任编辑:wutongyufg

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