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詳細解說陽光動力號結構和技術參數
新聞日期:2015-03-26 瀏覽次數:2664

  2010年,“陽光動力”號飛機實現了人類歷史上有人駕駛太陽能飛機的首次晝夜連續飛行,稱得上太陽能-電動力航空發展史上的一個里程碑。這架翼展與空客A340飛機相當,而重量僅相當于一輛普通小汽車的飛機,在結構和氣動力技術、能量管理等方面采用了一些創新設計。

  陽光動力飛機項目于2003年由瑞士神經學醫生、探險家勃蘭特·皮卡德正式發起。項目包括單座型技術驗證機HB-SIA和雙座型HB-SIB兩架飛機。 HB-SIA于 2007年完成最終設計,2010年7月7日開始進行了26小時的連續飛行,首次實現了晝夜太陽能循環飛行驗證。今年該機還將進行其他驗證飛行試驗。

  HB-SIB雙座型飛機用于實現創紀錄飛行,主要特點是使用了增壓座艙和更先進的航空電子設備。該機2011年開始制造,按照計劃2012年開始執行包 括橫跨美國大陸、大西洋和太平洋的多天飛行任務,2013年將用20~25天時間分階段完成“零燃料”環球飛行。

  整個“陽光動力”飛機項目預算是9800萬美元,得到了德意志銀行、歐米茄公司、瑞士訊達集團、蘇威集團、歐洲航天局、達索飛機公司和國際航空運輸協會等的資金資助和技術支持,瑞士聯邦技術學院(IEPFL)是項目指定的官方科學顧問。

  “陽光動力”飛機實現晝夜連續飛行的方式是,安裝鋰聚合物電池作為電能存儲裝置,晝間飛行時將太陽能電池陣列的富余電能儲存起來,夜間飛行時為電機供電。 由于蓄電池存儲的電能有限,還采用電能轉化成勢能的方式,即白天利用富余電能推動飛機爬升到較高的高度,夜間飛行時,逐步降低飛行高度,將勢能轉化成動 能,使飛機保持空中飛行。

  飛機所面臨的最大難題是能源的有效使用和管理。在正午時(典型低緯度地區),陸地表面每平方米可以獲得的太陽能光能大約為1千瓦。全天24小時平均分 攤,每平方米面積可以獲得的太陽能光能只有約260瓦。“陽光動力”號飛機太陽能電池面積200米2,太陽能-電動力推進系統的總效率12%,因此飛機電 機獲得的平均功率不足6千瓦——與萊特兄弟1903年進行人類歷史上首次動力飛行時能量大致相當。“陽光動力”飛機需從太陽能電池到螺旋槳進行全面優化以 充分利用這有限的能量,并實現不使用燃料的晝夜飛行。

  “陽光動力”飛機的翼展與A340大型客機相當,而重量大約只是A340的1/200,因此飛機在設計和制造過程中遇到了前所未有的挑戰。

  將典型客機(A320和波音737)和戰斗機與太陽能飛機進行結構重量分解對比,這些常規飛機的結構和推進系統重量占全機最大起飛重量的 40%,而太陽能飛機這一數值卻高達85%。主要問題是在當前的技術水平條件下,太陽能-電動力系統的重量很大,遠遠超過常規的噴氣發動機以及活塞發動 機。在所能獲得的能源有限,太陽能-電動力系統重量無法有效降低的條件下,要完成飛機設計難度極大。

  太陽能—電動力推進系統

  “陽光動力”飛機太陽能-電動力系統主要可以分成兩部分:提供基本電能的太陽能電池系統;安裝在翼下和動力艙內的電能存儲和機械推進系統,包括蓄電池、電機、螺旋槳、減速器、能量管理系統等。

  太陽能電池

  太陽能電池由11628塊柔性單晶硅電池組成,總面積200米2,總重量96千克。太陽能電池質地輕盈,且韌性好,可與機翼結構一起變形,但不承載。

  單塊電池規格125毫米×125毫米,厚度僅150微米,額定輸出電壓0.6伏(隨溫度和負載變化)。每333塊電池構成一個模塊,標準輸出電壓200 伏。每個模塊都由最大功率點跟蹤器(MPPT)控制,每個MPPT可以控制多達4個模塊,整個太陽能電池共有36個MPPT。

  動力系統吊艙

  該機翼下兩側共安裝4個動力系統吊艙,動力系統吊艙基本結構包括碳纖維管材構成的空間桁架結構和外殼,桁架結構用于安裝動力系統部件,與機翼連接傳遞載 荷,外殼起到氣動整流罩和包覆/保護作用。每個吊艙內都安裝有一臺功率為7460瓦的電機、一個鋰聚合物電池電池組(每組包含70節電池單體)、控制充電 門限值和溫度的電池管理系統。吊艙內安裝有隔熱系統,用于保存電池產生的熱輻射,這樣保證系統在8500米高空的-40℃低溫環境下也能正常工作。電機和 直徑3.5米的兩葉螺旋槳之間有一個減速箱,能夠將螺旋槳轉速限制在400轉/分之內。

  蓄電池

  鋰聚合物電池儲存系統的單節電池輸出電壓4.2伏(完全充滿電)~3.2伏(完全放電),70節電池構成一個電池組,電池組標準輸出電壓290伏,正常工 作溫度范圍15~35℃,全機電池組總電量86千瓦時,電池比能量約200~220瓦時/千克,電池總重量400~436千克,占全機重量的1/4。

  蓄電池重量也很大,因此需要顯著降低飛機其他部分的重量,才能使整個能源供應鏈最優化,并使大展長機翼和翼型最大限度地實現氣動力性能。

  結構和材料

  “陽光動力”飛機總重1600千克,其結構重量雖然限定在數百千克,但是仍要保證足夠的剛度以及飛行操縱特性等要求。

  為保證低速性能和獲得足夠的太陽能電池安裝面積,機翼采用翼展超大的彈性結構設計。要滿足大撓度、“變體”結構,需進行復雜的多學科設計/分析方法,并 確保超大尺寸、大撓度結構特性與飛行控制系統協調一致,否則可能發生如“太陽神”無人駕駛太陽能飛機一樣的嚴重墜毀事故。

  機體選用一些新型重量輕、強度高的材料,包括碳纖維復合材料,以及泡沫、塑料蒙皮等特殊材料。

  機翼結構

  飛機翼展長達63.4米,機翼結構的主體是61米的盒形梁(主翼盒)。盒形梁分成5段,包括中央段、左右兩側中間段和翼尖段,中央段長約20米,中間段和 翼尖段長約10米,中央段和中間段為等截面,翼尖段截面由內向外逐步減小。各段翼盒之間用4組接頭連接。翼盒四面分別由前、后墻和上、下壁板構成,內部翼 肋按大約0.5米間隔布置,共有約120根。翼肋外輪廓近似矩形(翼型剖面),前后各有一個近似矩形的大型減輕孔。翼肋為兩面碳纖維面板加中間蜂窩夾芯結 構。

  盒形梁約占弦長的20%,前部連接機翼固定前緣,后部連接固定后緣,固定后緣后面連接副翼和襟翼。

  前緣和后緣各有120根碳纖維復合材料管構成的桁架式翼肋,肋間距0.5米,翼肋具有重量輕、承載能力強的特點。上翼面透明蒙皮內部封裝太陽能電池系統,下翼面蒙皮采用輕質柔性薄膜。

  后緣襟翼和副翼為單梁多肋結構,表面覆蓋高強度透明薄膜蒙皮。

  機身結構

  機身包括前部吊艙式駕駛艙和矩形截面棱錐體細長尾梁/后機身。尾梁/后機身骨架為碳纖維復合材料管材桁架結構。駕駛艙骨架為碳纖維復合材料板件(部分為帶 有蜂窩夾芯)空間拼接結構,包括2個左右側板、2個底板、1個后側板、1個頂板、中部支撐板(座椅后側),以及儀表板和單獨的底板。駕駛艙中央布置駕駛員 座椅,前部為儀表板,內部還布置有操縱系統部件和其他系統設備。

  流線型駕駛艙外罩為整體氟氯化碳(CFC)蜂窩加泡沫結構,并與機身龍骨相連(從前向后套在骨架外邊),將駕駛艙完全封閉。

  尾翼結構

  平尾展長約10米,總重量只有十幾千克。水平安定面骨架為碳纖維復合材料盒形梁加桁架肋結構,外表包覆高強度薄膜蒙皮。水平安定面后面鉸接升降舵,升降舵 也為碳纖維復合材料單梁多肋結構,梁采用較獨特的三角形結構,肋為三角形桁架,外面包覆透明的高強度薄膜蒙皮。平尾翼肋約22根,其中2個為端肋。

  垂尾包括垂直安定面和方向舵兩部分,展長約6米,弦長約2米,結構與平尾基本相同。共有13根肋,包括2根端肋,2根與尾梁連接的中央肋和9根中間肋。

  起落架

  采用自行車式可收放起落架,包括駕駛艙下部的主起落架、垂尾底部小尺寸輔助尾輪、中段機翼下部安裝左右輔助起落架。主起落架承受大部分機體重量,機輪-支柱結構強度很高,也較為復雜,高度近2米,撐桿-收放作動筒位于后部。

  輔助起落架支柱長度約3米,下端安裝小尺寸機輪,后部撐桿-收放作動筒與支柱一起呈“y”形。主起支柱和兩側翼下輔助支柱都向后收,收起位置分別為貼著駕駛艙底部和機翼下表面,順氣流方向。起落架系統部件主要采用金屬材料。

  航電系統和其他系統

  安裝在飛機上的大量電子系統一方面連接包括太陽能電池在內的推進系統鏈路,另一方面連接包括中央計算機在內的所有飛行控制儀表系統。其主要功能是將太陽 能電池輸出的電能輸送給電機和電池,向飛行員提供控制飛機所需的必要信息,并向在地面進行飛機航跡和特性跟蹤的任務小組提供實時信息。

  歐米茄公司為“陽光動力”飛機提供了歐米茄儀表,可以保證飛行員控制飛機傾斜角精度在1度之內。歐米茄儀表的其他關鍵功能是為飛行員提供實際航向信息。由 于“陽光動力”飛機翼展超大,且重量極輕,因此對于空氣流動,特別是造成飛機側向漂移的側風非常敏感。通過控制面板上安裝的發光二極管(LED),飛行員 能夠知道精度1°以內的航向數據。

  與“陽光動力”飛機上的其他部件一樣,機載電子設備為實現效率最高和重量最輕目標進行了優化設計。在飛行期間,飛行高度高低變化造成了顯著的溫度變化,但是溫度變化一定不能影響電子系統的正常工作。

  機載計算機系統收集和分析數百個飛行管理參數,向飛行員提供決策依據信息,并向地面小組傳送關鍵數據,而且最重要的是根據特定飛行狀態以及蓄電池充電/放電狀態調節電機最佳功率。

  來源:新華網
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