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详细解说阳光动力号结构和技术参数
新闻日期:2015-03-26 浏览次数:2664

  2010年,“阳光动力”号飞机实现了人类历史上有人驾驶太阳能飞机的首次昼夜连续飞行,称得上太阳能-电动力航空发展史上的一个里程碑。这架翼展与空客A340飞机相当,而重量仅相当于一辆普通小汽车的飞机,在结构和气动力技术、能量管理等方面采用了一些创新设计。

  阳光动力飞机项目于2003年由瑞士神经学医生、探险家勃兰特·皮卡德正式发起。项目包括单座型技术验证机HB-SIA和双座型HB-SIB两架飞机。 HB-SIA于 2007年完成最终设计,2010年7月7日开始进行了26小时的连续飞行,首次实现了昼夜太阳能循环飞行验证。今年该机还将进行其他验证飞行试验。

  HB-SIB双座型飞机用于实现创纪录飞行,主要特点是使用了增压座舱和更先进的航空电子设备。该机2011年开始制造,按照计划2012年开始执行包 括横跨美国大陆、大西洋和太平洋的多天飞行任务,2013年将用20~25天时间分阶段完成“零燃料”环球飞行。

  整个“阳光动力”飞机项目预算是9800万美元,得到了德意志银行、欧米茄公司、瑞士讯达集团、苏威集团、欧洲航天局、达索飞机公司和国际航空运输协会等的资金资助和技术支持,瑞士联邦技术学院(IEPFL)是项目指定的官方科学顾问。

  “阳光动力”飞机实现昼夜连续飞行的方式是,安装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的高度,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。

  飞机所面临的最大难题是能源的有效使用和管理。在正午时(典型低纬度地区),陆地表面每平方米可以获得的太阳能光能大约为1千瓦。全天24小时平均分 摊,每平方米面积可以获得的太阳能光能只有约260瓦。“阳光动力”号飞机太阳能电池面积200米2,太阳能-电动力推进系统的总效率12%,因此飞机电 机获得的平均功率不足6千瓦——与莱特兄弟1903年进行人类历史上首次动力飞行时能量大致相当。“阳光动力”飞机需从太阳能电池到螺旋桨进行全面优化以 充分利用这有限的能量,并实现不使用燃料的昼夜飞行。

  “阳光动力”飞机的翼展与A340大型客机相当,而重量大约只是A340的1/200,因此飞机在设计和制造过程中遇到了前所未有的挑战。

  将典型客机(A320和波音737)和战斗机与太阳能飞机进行结构重量分解对比,这些常规飞机的结构和推进系统重量占全机最大起飞重量的 40%,而太阳能飞机这一数值却高达85%。主要问题是在当前的技术水平条件下,太阳能-电动力系统的重量很大,远远超过常规的喷气发动机以及活塞发动 机。在所能获得的能源有限,太阳能-电动力系统重量无法有效降低的条件下,要完成飞机设计难度极大。

  太阳能—电动力推进系统

  “阳光动力”飞机太阳能-电动力系统主要可以分成两部分:提供基本电能的太阳能电池系统;安装在翼下和动力舱内的电能存储和机械推进系统,包括蓄电池、电机、螺旋桨、减速器、能量管理系统等。

  太阳能电池

  太阳能电池由11628块柔性单晶硅电池组成,总面积200米2,总重量96千克。太阳能电池质地轻盈,且韧性好,可与机翼结构一起变形,但不承载。

  单块电池规格125毫米×125毫米,厚度仅150微米,额定输出电压0.6伏(随温度和负载变化)。每333块电池构成一个模块,标准输出电压200 伏。每个模块都由最大功率点跟踪器(MPPT)控制,每个MPPT可以控制多达4个模块,整个太阳能电池共有36个MPPT。

  动力系统吊舱

  该机翼下两侧共安装4个动力系统吊舱,动力系统吊舱基本结构包括碳纤维管材构成的空间桁架结构和外壳,桁架结构用于安装动力系统部件,与机翼连接传递载 荷,外壳起到气动整流罩和包覆/保护作用。每个吊舱内都安装有一台功率为7460瓦的电机、一个锂聚合物电池电池组(每组包含70节电池单体)、控制充电 门限值和温度的电池管理系统。吊舱内安装有隔热系统,用于保存电池产生的热辐射,这样保证系统在8500米高空的-40℃低温环境下也能正常工作。电机和 直径3.5米的两叶螺旋桨之间有一个减速箱,能够将螺旋桨转速限制在400转/分之内。

  蓄电池

  锂聚合物电池储存系统的单节电池输出电压4.2伏(完全充满电)~3.2伏(完全放电),70节电池构成一个电池组,电池组标准输出电压290伏,正常工 作温度范围15~35℃,全机电池组总电量86千瓦时,电池比能量约200~220瓦时/千克,电池总重量400~436千克,占全机重量的1/4。

  蓄电池重量也很大,因此需要显著降低飞机其他部分的重量,才能使整个能源供应链最优化,并使大展长机翼和翼型最大限度地实现气动力性能。

  结构和材料

  “阳光动力”飞机总重1600千克,其结构重量虽然限定在数百千克,但是仍要保证足够的刚度以及飞行操纵特性等要求。

  为保证低速性能和获得足够的太阳能电池安装面积,机翼采用翼展超大的弹性结构设计。要满足大挠度、“变体”结构,需进行复杂的多学科设计/分析方法,并 确保超大尺寸、大挠度结构特性与飞行控制系统协调一致,否则可能发生如“太阳神”无人驾驶太阳能飞机一样的严重坠毁事故。

  机体选用一些新型重量轻、强度高的材料,包括碳纤维复合材料,以及泡沫、塑料蒙皮等特殊材料。

  机翼结构

  飞机翼展长达63.4米,机翼结构的主体是61米的盒形梁(主翼盒)。盒形梁分成5段,包括中央段、左右两侧中间段和翼尖段,中央段长约20米,中间段和 翼尖段长约10米,中央段和中间段为等截面,翼尖段截面由内向外逐步减小。各段翼盒之间用4组接头连接。翼盒四面分别由前、后墙和上、下壁板构成,内部翼 肋按大约0.5米间隔布置,共有约120根。翼肋外轮廓近似矩形(翼型剖面),前后各有一个近似矩形的大型减轻孔。翼肋为两面碳纤维面板加中间蜂窝夹芯结 构。

  盒形梁约占弦长的20%,前部连接机翼固定前缘,后部连接固定后缘,固定后缘后面连接副翼和襟翼。

  前缘和后缘各有120根碳纤维复合材料管构成的桁架式翼肋,肋间距0.5米,翼肋具有重量轻、承载能力强的特点。上翼面透明蒙皮内部封装太阳能电池系统,下翼面蒙皮采用轻质柔性薄膜。

  后缘襟翼和副翼为单梁多肋结构,表面覆盖高强度透明薄膜蒙皮。

  机身结构

  机身包括前部吊舱式驾驶舱和矩形截面棱锥体细长尾梁/后机身。尾梁/后机身骨架为碳纤维复合材料管材桁架结构。驾驶舱骨架为碳纤维复合材料板件(部分为带 有蜂窝夹芯)空间拼接结构,包括2个左右侧板、2个底板、1个后侧板、1个顶板、中部支撑板(座椅后侧),以及仪表板和单独的底板。驾驶舱中央布置驾驶员 座椅,前部为仪表板,内部还布置有操纵系统部件和其他系统设备。

  流线型驾驶舱外罩为整体氟氯化碳(CFC)蜂窝加泡沫结构,并与机身龙骨相连(从前向后套在骨架外边),将驾驶舱完全封闭。

  尾翼结构

  平尾展长约10米,总重量只有十几千克。水平安定面骨架为碳纤维复合材料盒形梁加桁架肋结构,外表包覆高强度薄膜蒙皮。水平安定面后面铰接升降舵,升降舵 也为碳纤维复合材料单梁多肋结构,梁采用较独特的三角形结构,肋为三角形桁架,外面包覆透明的高强度薄膜蒙皮。平尾翼肋约22根,其中2个为端肋。

  垂尾包括垂直安定面和方向舵两部分,展长约6米,弦长约2米,结构与平尾基本相同。共有13根肋,包括2根端肋,2根与尾梁连接的中央肋和9根中间肋。

  起落架

  采用自行车式可收放起落架,包括驾驶舱下部的主起落架、垂尾底部小尺寸辅助尾轮、中段机翼下部安装左右辅助起落架。主起落架承受大部分机体重量,机轮-支柱结构强度很高,也较为复杂,高度近2米,撑杆-收放作动筒位于后部。

  辅助起落架支柱长度约3米,下端安装小尺寸机轮,后部撑杆-收放作动筒与支柱一起呈“y”形。主起支柱和两侧翼下辅助支柱都向后收,收起位置分别为贴着驾驶舱底部和机翼下表面,顺气流方向。起落架系统部件主要采用金属材料。

  航电系统和其他系统

  安装在飞机上的大量电子系统一方面连接包括太阳能电池在内的推进系统链路,另一方面连接包括中央计算机在内的所有飞行控制仪表系统。其主要功能是将太阳 能电池输出的电能输送给电机和电池,向飞行员提供控制飞机所需的必要信息,并向在地面进行飞机航迹和特性跟踪的任务小组提供实时信息。

  欧米茄公司为“阳光动力”飞机提供了欧米茄仪表,可以保证飞行员控制飞机倾斜角精度在1度之内。欧米茄仪表的其他关键功能是为飞行员提供实际航向信息。由 于“阳光动力”飞机翼展超大,且重量极轻,因此对于空气流动,特别是造成飞机侧向漂移的侧风非常敏感。通过控制面板上安装的发光二极管(LED),飞行员 能够知道精度1°以内的航向数据。

  与“阳光动力”飞机上的其他部件一样,机载电子设备为实现效率最高和重量最轻目标进行了优化设计。在飞行期间,飞行高度高低变化造成了显著的温度变化,但是温度变化一定不能影响电子系统的正常工作。

  机载计算机系统收集和分析数百个飞行管理参数,向飞行员提供决策依据信息,并向地面小组传送关键数据,而且最重要的是根据特定飞行状态以及蓄电池充电/放电状态调节电机最佳功率。

  来源:新华网
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