海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

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绿色飞行之太阳能飞机(科普.原创) 精选

已有 3234 次阅读 2024-1-30 17:04 |系统分类:科普集锦

沈海军

为应对全球变暖,实现“双碳”目标,2023年10月,我国工业信息部、科技部、财政部、中国民航局等四部门联合印发了《绿色航空制造业发展纲要(2023-2035年)》(简称《纲要》)。《纲要》中指出,要加快电动通用航空器系列化、谱系化,突破高能量密度锂电池……太阳能无人机等关键技术;《纲要》要求到2025年显著提高国产民机节能、减排、降噪性能,全面提升航空绿色制造水平。显然,太阳能飞机,连同电动飞机、氢能源飞机,已被我国并列为未来绿色飞行的几大重要发展方向。

和传统飞机相比较,太阳能飞机优势很多。首先,太阳能飞机可降低飞机对传统燃油(汽油或航空煤油)的依赖,避免了当下油价上涨的经济压力。其次,太阳能飞机飞行中不产生碳排放,绿色环保。第三,太阳能飞机电机的声音很小,甚至可以在静谧的夜晚飞行,几乎无噪音污染。第四,太阳能飞机理论上可以永久性在高海拔空中飞行,即白天用太阳能板获得电能,并将多余电能储存起来,然后供夜间飞行。

太阳能飞机潜在应用前景广阔。它可实现超长航时、高升限,适合作通讯中继站、对敌24小时监控、地形地貌测绘等,甚至可改装成高空轰炸机。一些太阳能飞机能连续在1.8万米高空工作数月,向地面提供互联网服务,覆盖范围相当于200个地面基站,比卫星优势更大,成本更低,可作为“准卫星”。在未来,太阳能飞机有望被建设成的空间无人航行太阳能电站,源源不断向地球无线供电。此外,根据技术发展趋势,太阳能无人飞机未来还有可能被用来探测火星等其他行星,前景可期。

一、发展历史与现状

20世纪中叶以来,美、瑞士、英、中国等国在研发太阳能飞机方面做出了杰出的贡献,特别是美国,在该领域一直处于世界领先的地位。

1)美国的太阳能飞机

1974年11月,世界上第一架太阳能飞机“日升”号在美国加利福尼亚州成功试飞,标志着太阳能飞行时代的来临。该无人机由美军方资助,采用正常式布局,机翼上铺设4千余块太阳能板,总量12 公斤,翼展9.8米。 1975年9月,加装了新太阳能板的“日升”2号完成首飞,电池效率提高到14%,总功率达到了600W。

上世纪80年代初,“人力飞行之父”美国人保罗·麦克里迪研制出了“太阳挑战者”号单座太阳能飞机,这是世界上首架载人太阳能飞机。“太阳挑战者”飞机翼展14.3米,空重90千克,机翼和尾翼上表面共有约1.6万片硅太阳电池。理想日照下能输出3千瓦的功率。 1981年7月,美国人史蒂夫·普塔塞克驾驶该机成功由巴黎飞到英国,成为人类首次飞过英吉利海峡的太阳能动力飞行。

1995年9月,美国航空环境公司“探险者”号遥控太阳能飞机成功试飞,创下了太阳能飞机1.5万米高度的世界纪录。该机机翼上采用0.12毫米晶体硅太阳能板,输出功率为6.5千瓦;机翼大梁为木质,后改为碳纤维复合材料。1996年11月,更换了电能更强太阳能板的“探险者 Plus”号再次试飞,飞出22千米的新高度,成为世界第一型临近空间太阳能无人机。值得一提的是,该机没有设计机身、机尾和舵面,只有一张翼展30米、翼弦2.5米的机翼,由8组电机/螺旋桨驱动。

1998年,航空环境公司又研发了更大的“百人队长”号太阳能飞机。该机翼展长37米,中央翼更换为光效率达18.5%的太阳能板,增加了两台直流电动机和新螺旋桨。1998年8月,“百人队长”在美国夏威夷试飞,飞出了24千米的世界高度新记录。2000年,航空环境公司再接再厉,研制出了“太阳神”号太阳能飞机。该机重590千克;机身长2.4米,翼展达75米,该尺寸连超大客机波音747也望尘莫及。“太阳神”结构为碳纤复材,机翼前缘装有14组电机/螺旋桨,翼上铺设6.5万片太阳能板。晨光照射下电能输出为10千瓦,中午为40千瓦,飞机时速可达30至50公里。晚上靠储电飞行。 2001年,“太阳神”创下了太阳能飞机飞行29.5千米的高度纪录。不过,2003年再次试飞时,遭遇强湍流,“太阳神”在机翼诱发俯仰振荡后坠毁。

2005年,美国爱西推进公司研发出了“永恒(solong)”号太阳能无人机,该机重12.8千克,翼展12.2米,在空中持续飞行了48小时,成为世界首架实现昼夜持续飞行的太阳能飞机。该机有望将来作为空中的无线电塔台。不过,这次“永恒”号的飞行飞机并没有携带任务载荷,任务适用性上还有待于完善。

2009年,美国电动飞机先驱埃里克·雷蒙德设计的“逐日(Sun seeker)”号太阳能飞机创下了横跨美国飞行的记录。2013年,改进的“逐日”双座型太阳能飞机成功首飞。该机翼展22米,重280千克。机翼和尾翼表面铺有1510颗太阳能板。收集的太阳能可存储在位于机身锂电池组内,最大可以输出25千瓦,性能优异。目前,“逐日”双座型性能指标不断完善,已能在仅依靠太阳能供电的情况下载2人空中飞行12小时。

2016年,美国谷歌(Google)公司收购英国泰坦航空公司后,研发出了Solara系列的太阳能无人机。其中Salara 50型翼展46米,配备3000块太阳能电池,可供电7千瓦。飞机采用弹射起飞,最大时速可达97千米。该飞机既定目标是携带32公斤载荷飞行5年,在19.8千米高度停留数周。2016年,Salara 50完成了测试,在谷歌的“Sky Bender”计划中,Salara飞机拟作高空信号基站,使用毫米波传输技术传送5G移动网络,为美国偏远地区提供网络信号。

2017年,美国脸书(Facebook)公司研制的“天鹰座”(Aquila)太阳能无人机成功试飞。该机采用大展弦比飞翼布局,翼展43米,起飞重量450公斤,时速约130千米,航时为1小时46分钟,最后自主着陆在地面一152米直径的圈内。该机没有起落架,靠发动机舱底部凯夫拉垫着陆。“天鹰座”现有续航记录是两个星期。脸书公司希望能使用该机为落后地区提供网络服务。

2019,美国波音旗下的极光飞行科学公司(Aurora)生产了一台翼展74米的超大太阳能无人机,打破了世界无人机翼展的纪录。这款名为“奥德修斯”无人机加载了我国汉能阿尔塔全球领先的柔性砷化镓薄膜电池板,光电转化率可达29%。

2)瑞士的太阳能飞机

2003年,瑞士探险家贝特朗·皮卡尔成立了阳光动力(Solar Impulse)公司,旨在实现“驾驶太阳能飞机,多次起降昼夜飞行环球”的目标。此举得到了法国达索航空和欧洲宇航局的大力资助。2010年7月,该公司单座小型太阳能动力飞机“阳光动力”号首次实现了24小时不间断载人飞行,成为世界上第一架完全依靠太阳能、实现昼夜飞行的载人飞机。该机翼展 63.4米,碳纤复材机身,总重1.6吨,太阳能电池11628块,四组电机/螺旋桨,每组功率10马力,最大飞行高度8500米,平均时速70公里。

此后,“阳光动力”飞机年年都有突破。 2011年5月,“太阳动力”号首次完成瑞士至比利时跨国载人飞行。 次年5月完成了瑞士至摩洛哥的跨洲飞行。2014年6月,新一代“阳光动力”2号飞机成功首飞,成为当时世界上最大的太阳能飞机。该机在太阳能电池数量、翼展长度、重量等都有明显进步。比如,使用了超过1.7万块太阳能电池板,比第一代多出5000块,翼展更长,达到72米。使用超轻碳纤复材,总重2.3吨。2015年3月,两名探险家驾驶“阳光动力”2号从海湾地区出发,历时16个月,经阿拉伯海、印、缅、中、日、美、西班牙、埃及、阿联酋完成了环球首航。 这是人类历史上第一次由太阳能驱动的环球飞行。其中,从日本飞往夏威夷的5天里,“阳光动力”2号连创3项世界纪录:太阳能飞机最长时间不间断飞行、最长时间单人驾驶飞行和最远距离太阳能动力飞行。2015年3月,为纪念全球最大太阳能飞机“阳光动力”2号环球飞行的壮举,瑞士银行还特意为其发行了纪念币。

2005年,瑞士苏黎世联邦理工学院和欧洲宇航局合作,设计出了“天空使者”号太阳能火星研究飞行器。该飞机重2.6公斤,电池重1.3公斤,翼展3.18米,时速30公里;起飞方式为手抛发射,地球上空载续飞行了5小时。该机结构由轻木芯和碳纤复材制作,216块硅太阳能电池板可提供80瓦以上光电力。该机机载CCD (电耦合)相机可对地拍摄,自动驾驶系统允许地面控制站监控和给飞行中的飞机发送指令。设计者坚信,10至20年内“天空使者”号将能够抵达火星上空飞行。

2016年,苏黎世联邦理工学院研制的“大西洋”号太阳能飞机,以4天3夜的续航时间和2.3千公里的飞行距离,打破了50公斤以下无人机的世界记录。该机为固定翼,重6.8千克。同年7月,该机又进一步完成了滞空长达26小时的负载搜救任务。

3)英国的太阳能飞机

2006年,全球首架太阳能无人侦察机“西风 (Zephyr) ”号成功试飞。该机由英国国防承包商QinetiQ公司研制,总重33千克,时速250公里;碳纤复材机翼,翼展12.2米,覆盖有太阳能电池板,光伏发电部分驱动电机/螺旋桨,部分存到40节锂电池内,供夜间使用。该机GPS导航,升限4万米,可持续3个月对地标长时高密度监控。机载相机可以1.8万米高空,精确拍摄25.4厘米的地标;还可收发地面士兵无线电信号。

由于“西风”号是为高空飞行设计的,机身脆弱,动力偏弱,试飞过程中,需3名男子一路狂奔,才能将它“推送”上蓝天。2010年,空客公司资助改进“西风7”,后者连续滞空飞行超过了14天。

2010年以来,美国陆军和海军一直在资助和试验各型号的“西风”,希望未来能利用 “西风”对公海和沿海地区进行持续监视或网络支持。2013年,英国将该设计出售给欧洲空中客车公司。2016年,英国国防部购入了2架“西风S”型太阳能飞机,以承担持续监控和通信传递等任务。2018年,空客“西风S”型太阳能飞机在美国亚利桑那州举行了首次平流层试飞,创下持续飞行26天的纪录。该飞机翼展25米,重74千克,升限2.3万米,比传统间谍卫星更灵活,比现有高空长航时无人机更持久,飞行距离更长,部署前线更快。

4)中国的太阳能飞机

2017年5月,中国航天科技集团的“彩虹T4”临近空间太阳能无人机试飞成功,这使我国成为继美、英之后,第三个掌握临近空间太阳能无人机技术的国家。 该机翼展45米、表面布满太阳能电池板;未来一次性飞行可滞空数月甚至数年,具备“准卫星”特征;可充当“空中移动WIFI”基站、高空实时监视定位,前景广阔。

2022年,中国航空工业第一飞机设计研究院设计的“启明星50”太阳能无人机成功试飞。该机翼展50米,巡航高度2万以上,是继“彩虹-T4”之后,国内最先进的太阳能无人机。“启明星50”太阳能无人机未来有望做到持续飞行几个月时间,甚至更长,成为“永不着陆”的飞机。

近来,我中国汉能集团推出了一款“汉能”太阳能无人机。该机翼展4.4米,续航时间6至10小时,作业范围可以达到400至700公里,是目前世界上航时最长的工业级太阳能无人机。该机可应用于军、民和商用,如石油天然气管道巡线、农业监控、军用警用巡逻、灾害和应急救援、航拍和土地测绘、自然资源检测、边境海岸线巡逻、矿业监测等。

5)其他国家的太阳能飞机

2016年,俄罗斯Tiber公司研制的“猫头鹰”号太阳能无人机成功首飞。该机机身为碳纤复材材质,自重12千克,翼展9米,在9000米高空飞行了50个小时。 俄罗斯国防部表示将装备该高空无人机,对全球大洋、俄高纬度区域国土海疆、北极等边远地区进行长期巡逻监察,给俄各地特别是北极地区提供中继通信服务,甚至取代昂贵的低轨道观测和通信卫星。

同年,韩国航宇研究院研制的EAV-3太阳能无人机在18.5 千米平流层中飞行了 90 分钟。该机翼展20米,2020年再次试飞时达到了22千米的飞行高度,总航时13小时。韩国因此成为继美、英、中之后世界上第四个拥有临近空间太阳能飞机技术的国家。

二、能源系统

太阳能飞机的动力装置包括太阳能电池、蓄电池、电动机/螺旋桨和能源管理系统等。从能量转换的角度来看,太阳能飞机是一种“将光能转换为电能,再转化机械能”的飞行装置。其中,光能转化成电能依靠太阳能电池(太阳能板)的光电效应来实现。光电效应最早于1839年被法国人发现,后来爱因斯坦率先对这种效应做出了合理解释。现在大多太阳能飞机使用的n/p型晶体硅太阳能板是美国人1958年发明的,最初用于太空卫星供电。

为获得足够能量,太阳能飞机必须拥有较大摄取阳光的表面积,以便铺设足够多的太阳电池板。太阳能飞机电池板铺设的位置一般为飞机机翼上表面,有的太阳能飞机在平尾、垂尾、机身也铺设有太阳能板,有的甚至还采用了双面发电的太阳能板,用来额外吸收地面的反射光。太阳能飞机电源包括太阳能板及储能电池。太阳能飞机白天飞行所需的电能依靠太阳能板光电发电得到,多余的光电能则被存在储能电池内供飞机夜间飞行。

目前的太阳能飞机太阳能板多采用硅电池和薄膜电池。其中,硅电池包括晶体硅(多晶硅和单晶硅)和非晶硅电池。和非晶硅电池相比,晶体硅太阳能电池具有转换效率更高,工作更稳定,寿命更长,技术发展也较为成熟等,占有大多光伏市场,被绝大多数太阳能飞机所使用。目前,硅电池产能大,光电转换效率普遍可达到16%-22%,但硅电池比功率相对低,刚性较大,这并不利于维持机翼表面光滑性。

薄膜太阳能电池优点突出,它轻薄,附形能力强,可满足柔性大展弦比机翼铺片需求。薄膜电池最常见的为砷化镓(GaAs)。其中,多结的砷化镓电池实验室效率已达到40%以上,但成本较贵。近来,随着制备工艺的完善和成本降低,砷化镓开始被应用到太阳能无人机中,譬如空客的“西风S”、波音公司的“奥德修斯”等都搭载了砷化镓太阳能电池。

太阳能飞机的储能电池一般占太阳能飞机总重量的30%以上,是影响太阳能飞机成败的重要因素之一。太阳能飞机储能电池多采为锂电池。常见的锂电池有锂离子电池、锂聚合物电池、锂硫电池等3种。太阳能无人机应用最广的为锂离子电池和锂聚合物电池。锂聚合物电池能量密度为180-240瓦·小时/公斤,略高于锂离子电池,但它们都难以满足飞机长航时的要求,装备这些电池的太阳能无人机要真正实现高空跨昼夜飞行,依然面临诸多挑战。需要说明的是,《中国制造2025》目标指出,我国锂电池能量密度2025年将达到400瓦·小时/公斤,2030年达到500瓦·小时/公斤;到时,太阳能飞机的储能问题将有望得到解决。

值得注意的是,最新的锂硫电池技术理论能量密度已高达2600W·h/公斤,是锂离子电池的3-5倍,空客公司的“西风7”无人机搭载的就是锂硫电池,能量密度为350W·h/公斤。不过,锂硫电池的缺点也很显著。其聚硫化物电解质中的溶解问题、硫正极锂化后体积膨胀、锂负极枝晶问题等,会直接导致电池安全性和循环性能差,因此在太阳能无人机储能电池中并不占主导。

三、设计相关技术

太阳能飞机一般由机体、飞行操控系统和动力装置等部件组成。

对于太阳能飞机来讲,太阳光源能量总体偏弱,这就需要飞机体表面铺设大面积的高效硅电池板。现有太阳能飞机大多采用“常规布局+大展弦比机翼”构型。这种构型优点在于:气动性能成熟,气动(诱导)阻力小,升阻比大;电池能耗小;翼面可铺设更多太阳能电池板。但这种构型也有缺点,譬如需要最大限度地减重等。为此,当下最流行的做法就是大量采用超轻非金属材质,譬如用超高强度的碳纤维作机翼、机体等。为减耗,太阳能飞机的结构要尽量轻,同时保证足够强度和刚度,这就要求要对飞机整体结构进行精心设计和优化。 目前,太阳能飞机主承力结构通常采用比强度、比模量,抗疲劳、工艺性好的碳纤维、凯夫拉纤维复合材料等。

长航时飞行的太阳能飞机需要昼夜航行切换。大展弦比机翼和轻结构的太阳能无人机具备优良的滑翔能力;为节能,夜间飞行常采取无动力滑翔和有动力飞行相结合的方式。要实现昼夜航行的切换以及自主飞行,太阳能飞机需要配备先进的电子系统。当前,无人机的概念正被“无人机系统”所取代。所谓无人机系统,是指无人机平台及其配套的任务设备、数据链、地面测控站、起飞(发射)回收装置、地面保障设备等的统称。太阳能无人机飞行时间长,要适应昼夜飞行和其他环境影响,其自主飞行控制与导航对电子系统功能和可靠性要求要比普通的无人机更高。

太阳能飞机机翼细长,刚度小,容易产生“颤振”等“气动弹性”问题;太阳能飞机在2万米高度附近的临近空间飞行时,大气稀薄,气动升力降低,会导致承载能力低下……这些技术难题无疑给太阳能飞机的设计者提出了新的挑战。

--《大飞机》报约稿



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