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标题: 太阳能飞机的现状和发展趋势 [打印本页]

作者: 479577678 时间: 2008-9-22 12:51
标题: 太阳能飞机的现状和发展趋势
太阳能飞机的现状和发展趋势

　　摘要：该文首先介绍几种国外设计成功或者正在研制的太阳能飞机，然后对太阳能飞机的关键技术和发展趋势做了分析。
　　关键词：飞机　太阳能　太阳能飞机
　　 1974年11月4日，世界上第一架太阳能飞机Sunrise I在4096块太阳电池的驱动下缓缓地离开了地面，这次成功的飞行标志着太阳能飞行时代的来临。此后的二十几年中，由于相关技术的落后，太阳能飞机发展缓慢。直到20世纪末，随着太阳电池效率、二次电源能量密度的提高，以及微电子技术、新材料技术等的发展，太阳能飞机终于驶上了飞速发展的快车道。太阳能飞机以太阳能为能源，对环境无污染，使用灵活、成本低，有着广阔的应用前景。在民用上可用于大气研究、天气预报、环境及灾害监测、农作物遥测、交通管制、电信和电视服务、自然保护区监控、外星球探测等；在军事上可用于边境巡逻、侦察、通信中继、电子对抗等任务。由于太阳能飞机具有众多优势，许多国家都在进行相关技术的研究。
　　一、国外太阳能飞机研制现状
　　　　1. Sunbeam I 太阳能飞机
　　　　Sunbeam I是美国杨伯翰大学的研究人员开发的小型遥控太阳能验证机，用于对小型太阳能飞机的相关技术进行研究。该机采用飞翼布局。机翼上表面铺设16块由美国Sun power公司提供的高效率、低重量的太阳电池，以串联方式向推进系统和控制设备供电，驱动方式为直驱。该机的无动力滑翔和电池动力试飞已于2001年完成。Sunbeam I 翼展0.38m，机翼面积0.055m2，重量0.071kg，失速速度8m/s。
　　　　2. SoLong太阳能飞机
　　　　SoLong是美国AC推进公司开发的用于遥测遥感的民用太阳能无人机。该机为上单翼"V"型尾布局，机体使用了大量碳纤维、凯芙拉等复合材料。SoLong的能源系统由翼面的76块光电转换效率为 20%的Sun Power-A300单晶硅太阳电池和120节Sanyo18650锂电池构成。锂电池用于储存白天富裕的能量，并于夜间释放，维持系统运行。该机采用Kontronik Tango 45-06 三相无刷马达，4.2倍减速后驱动直径0.6m的折叠变矩螺旋桨。为了提高从太阳电池获得的功率，机上带有AC推进公司开发的300W 峰值功率追踪器，重100g，效率98%。自2004年7月，该机已进行了60多次试飞，总飞行时间达250小时，曾在48km/h的大风中安全飞行。SoLong于2005年6月1日16∶08起飞至6月3日16∶24降落，连续飞行了48小时16分，是迄今为止留空时间最长的太阳能飞机。AC推进公司称，该机可按用户要求缩放，以适应不同的应用范围。该机翼展4.75m，机翼面积1.5m2，全机重12.8ｋｇ，锂电池重5.6kg，太阳电池输出功率225W，马达最大功率800W，最小平飞需用功率95W飞行速度43~80km/h，最大爬升率2.5ｍ／ｓ，操纵半径8km。
　　　　3. 墨卡托（Mecrator）太阳能飞机
　　　　"墨卡托"是英国QinetiQ公司为比利时Flemish 技术研究所设计的高空长航时无人机。该机计划采用正常布局，研制工作正在进行。"墨卡托"的设计任务涵盖了自然灾害跟踪预报、通信中继、目标定位、环境科学监测、农作物遥测等。墨卡托的能源系统由高效率的柔性太阳电池和锂电池组成，并集成于机体结构中，以降低全机重量。按计划"墨卡托"飞机将在2006年的夏季进行首飞。远期目标是在18km的高空作数月的飞行。"墨卡托"翼展16m，全机重27ｋｇ，有效载荷2kg。QinetiQ公司同时为英国国防部进行着另一个太阳能无人机"微风"3（Zephyr 3）的研制，"微风"3翼展12m ，重12ｋｇ，最大飞行高度40km。英国国防部2005年2月曾在澳大利亚南部Woomera机场为"微风"3的测试作准备。
　　　　4. HELIPLAT太阳能飞机
　　　　HELIPLAT是意大利都灵工业大学设计的高空长航时太阳能无人机。该项目由欧盟第5框架计划资助，目的是对高空长航时无人机通信平台的相关技术进行研究。HELIPLAT设计任务是在17~20km高空巡航飞行，远期目标航时为九个月。该机采用双尾撑布局，机体大量使用复合材料。该机能源系统由高效单晶硅太阳电池和燃料电池组成，推进系统配置8台直流无刷电机，以提高系统可靠性。研究人员已经制作了缩比的技术验证机用于设计方案的评估。HELIPLAT翼展73m，机翼面积176m2，根梢比3，全机重816kg，有效载荷100kg，巡航速度每小时71km。
　　　　5. "太阳神"（Helios）太阳能飞机
　　　　太阳神是美国航境（Aerovironment）公司在美国家航空航天局（NASA）的环境研究飞机和传感技术（ERAST）项目资助下设计制造的第四代飞翼布局太阳能无人机。前三种型号为"探路者"（Pathfinder）、"探路者"改进型（Pathfinder Plus）、"百人队长"（Centurion）。"太阳神"根据配置不同分为高空型和长航时型，分别用于高空飞行和长航时飞行的技术验证。高空型"太阳神"HP01于2001年8月13日创造了29.5km的飞行高度记录，留空时间18小时零1分。高空型太阳神HP01的能源系统由高效的双面单晶硅太阳电池和锂电池组成，推进系统由14台永磁直流无刷马达和两叶宽弦层流定矩高空螺旋桨组成，每台马达额定输出功率1.5kW，螺旋桨直径2m。长航时型太阳神 HP03的储能设备更换为燃料电池，并且对机体做了局部的更改，马达减为10台。在2003年6月26日对燃料电池的测试飞行中，"太阳神"HP03遭遇紊流，解体坠海。但是航境公司并没有放弃在太阳能飞机方面的探索，他们在"探路者"改进型太阳能飞机上安装了紊流探测仪器，于2005年8月31日和9月14日在NASA代顿飞行研究中心分别进行了3小时和2小时15分的试飞，采集了柔性飞翼布局飞机对紊流的响应特性数据。
　　　　"太阳神"翼展75.3m，面积183.6m2，高空型重720kg，长航时型重1053kg。航境公司的最终目标是制造出航时长达6个月之久的高空长航时太阳能无人机。
　　　　6. SOLAR IMPULSE太阳能飞机
　　　　瑞士探险家伯特兰·皮卡尔（Bertrand Piccard）在乘气球不停顿环球飞行成功后，萌发了驾驶太阳能飞机环球飞行的想法。2003年末，在几家公司和欧洲航天局的支持下SOLAR IMPULSE项目正式启动。该项目的目标是设计、制造一个载人太阳能飞机，仅依靠太阳能起飞，爬升到12km高空巡航飞行，在每个大陆起降一次，用15天左右环球飞行。SOLAR IMPULSE采用上单翼"T"尾布局，翼展80m，全机重2000kg。为了降低全机重量，机翼将采用先进的复合材料制造，同时要求集成于机翼结构内部的锂电池能量密度要达到200Wh/kg以上。为防止机翼变形和震动损坏太阳电池，该机将采用非常薄的柔性太阳电池。该机概念设计于2005年末结束，计划于2008年首飞，2010年6月环球飞行。受太阳电池光电转换效率和电池能量密度的限制，目前太阳能飞机不停顿环球飞行还不太现实。
　　二、太阳能飞机的技术特点和发展趋势
　　　　太阳能飞机已有30多年的历史，总体来说还处于试验阶段。作为航空技术和新能源技术相结合的产物，可以从机体平台、能源系统、推进系统三个角度来分析太阳能飞机的技术标准。
　　　　机体平台。太阳能飞机大多采用了传统气动布局，这些布局已有成熟的分析方法，技术风险低，也有飞机采用新的气动布局。太阳能飞机为了提高气动效率，大多采用大展弦比机翼，尤其是高空长航时太阳能无人机，展弦比都在30左右。为了降低重量，碳纤维、凯芙拉等先进复合材料被大量使用。太阳电池转换效率低、重量大以及储能系统能量密度小等原因，造成了太阳能飞机翼载荷小、载荷能力差、外形尺寸大等不足。对于高空长航时太阳能飞机，大展比带来的气动弹性问题影响了飞机的稳定性和安全性。
　　　　能源系统。目前多数太阳能飞机采用的为转化效率15%~20%的单晶硅太阳电池，部分采用了多晶硅太阳电池。储能器多为能量密度150Wh/kg左右的锂电池，部分太阳能飞机采用了爬高方式储能或能量密度450~600Wh/kg的可再生燃料电池储能。为降低全机重量，能源系统多集成于机体结构中。由于太阳电池价格昂贵、易碎，不能与机体曲面很好贴合，导致太阳能飞机初期投入经费过多，气动效率低。太阳电池低的转换效率也限制了太阳能飞机的性能。储能系统的能量密度和效率太低导致储能系统的重量在全机重量中占有很大的比重，以SoLong飞机为例，锂电池的重量占到了全机重量的44%。
　　　　推进系统。为提高系统可靠性，太阳能飞机多采用分布式推进系统，并以直驱方式为主，只在小型太阳能飞机上采用减速驱动方式以提高螺旋桨效率。永磁直流无刷电机效率高，可动部件少，在太阳能飞机上得到了广泛的应用。长航时太阳能飞机多采用定矩螺旋桨，以减少可动部件。无刷电机的缺点是控制复杂、价格昂贵，在不同的飞行状态下，定矩螺旋桨和电机的匹配困难，降低了系统的效率。
　　　　从太阳能飞机的技术特点和相关技术的发展现状来看，太阳能飞机将会有以下发展趋势：
　　　　太阳能飞机将采用新布局、新材料和新工艺来提高飞机结构效率和气动效率，降低飞机的重量，减小飞机的尺寸，提高载荷能力。发展新的飞行控制技术，提高飞机的安全性和可靠性。发展小型的太阳能无人机，并向微型太阳能无人机方向努力。
　　　　能源系统将采用更高效的太阳电池和储能器。单晶硅太阳电池的效率将逐步提高，此外高效柔性薄膜太阳电池可与机体曲面贴合。高能量密度和高效率的储能器技术将大大降低全机重量。
　　　　太阳能飞机的推进系统将采用新型高效的电机和螺旋桨。HELIPLAT项目已经在研制一种更为高效的轴向磁通电机，它低速大转矩特性和高的功率重量比将显著提高推进系统的效率并降低其重量。低雷诺数空气动力学的发展将逐步提高螺旋桨的效率。
　　三、结束语
　　　　太阳能飞机顺应了当代绿色、环保的要求，具有"永久"飞行的能力。高空长航时太阳能无人机具有重要的民用和军事用途。然而太阳能飞机的实用化还需要相关技术的发展，各国已把高空长航时太阳能无人机列为重要的研究方向。我国在这方面起步晚，应加强对相关技术的研究力度，以缩小同发达国家的差距。

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