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世界经典太阳能飞机揭秘 |
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newmaker 来源：信息时报 |
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飞行自古以来都是人类的梦想，而各种各样的飞行器就是实现人类梦想的翅膀。瑞士探险家计划在2011年挑战太阳能飞机环球载人飞行的构想，并于5月22日正式展开了网上模拟试验。航空技术的发展，已经使人们惊觉：利用取之不竭的阳光实现永久飞行，正跳出科幻的意味，变得越来越真实可及，正如英国皇家航空俱乐部的巴里·罗尔夫所说:“谁知道将来还有什么会成为可能呢？”
瑞士科研人员5月22日开始对太阳能飞机环球飞行计划展开网上实景模拟试验，为一年后开始的首架样机试飞和最终环球载人飞行作准备。第一架样机目前正在瑞士制造和组装，环球飞行预计在2011年上演，一旦实现，这将是太阳能飞机历史上首次载人作昼夜、长距离飞行。
按照设想，“太阳脉动号”太阳能飞机将由碳纤维制成，外形如同一只巨大的蚊子，
表面覆盖有240平方米的太阳能光电板。
整夜航行是最大挑战
早在2003年，瑞士探险家贝特朗·皮卡尔就提出了太阳能飞机环球飞行构想，计划驾驶太阳能飞机，经过5次起降实现环球昼夜飞行，这一计划被命名为“太阳脉动”，最终的目标是用太阳能飞机实现永久飞行。
太阳能飞机惊人的续航力来自取之不竭的阳光。从理论上说，只要能追上地球自转的速度，使自己永远暴露在阳光照耀下，太阳能飞机就能永久飞下去，持续时间取决于部件的寿命极限。但实际上，飞机要跟上地球的脚步，需要以接近两倍音速飞行，这只有在已经退役的“协和”超音速客机上才能体验到，因此现实的永久飞行之道还必须面对黑夜的挑战。
“太阳脉动”计划面临的最大挑战正是彻夜飞行，因为夜间无法采集阳光，飞机只能依靠电池白天储蓄的有限能量。 皮卡尔承认:“我们最大的问题是能否在白天储存足够的太阳能，保证夜晚飞行。”不过他认为，只要蓄电池的能量密度和重复充电能力、太阳能电池板的能量转换效率以及电动机的经济性达到足够水平，太阳能飞机在空中数周数月地飞行下去，并不是一个遥不可及的目标。
网上模拟飞遍全球
皮卡尔的研究小组共有60名科研人员，研究机构设在瑞士，他们的研究得到了法国达索特航空和欧洲宇航局的大力支持，整个项目投资7000万欧元。
由于世界上还没有驾驶太阳能飞机尝试昼夜连续飞行的先例， 因此在实际飞行前，皮卡尔和他的研究小组要完成充分的数据模拟以保证飞行安全。22日的网上模拟将充分考虑“太阳脉动号”可能遇到的各种实际情况。飞机将在白天攀升到高空，在夜间降低飞行高度，以节省能源，但具体飞行高度需要模拟确定。此外，模拟还要考虑恶劣天气，以及如何避开云层、如何最大限度获取阳光等问题。参与飞行计划的气象学家卢卡·特鲁曼斯说：“我生来第一次希望天天都艳阳高照。”
驾驶舱仅能容一人
目前，研究小组正在赶制“太阳脉动”的第一架样机，他们所采用的超轻材料、太阳能电池、能量管理系统、驾驶员健康检测系统等都代表着最新的技术水平。按照设想，“太阳脉动号”飞机将由碳纤维制成，外形就像一只巨大的蚊子，表面覆盖有240平方米的太阳能光电板，装有一组400公斤的锂电池，通过4台电动机驱动直径数米的螺旋桨缓慢旋转，能在10000米以上高度以70公里/小时的速度巡航飞行。
太阳能光电板会将阳光转化为电能，储存到高技术超薄锂电池，带动机翼上4个电动螺旋桨发动机，为飞机提供动力。在这样的飞行中，“太阳脉动号”从太阳得到的平均功率只与莱特兄弟1903年的飞机功率相当，这要求锂电池每公斤的能量密度必须接近200瓦/小时。
超薄和柔性的太阳能锂电池要承受变形、振动、-60℃~+80℃的温度变化，还有强紫外线照射。制造宽达80米的超轻细长机翼也是前所未有的技术考验，在12000米以上高空驾驶，驾驶舱还需要增压、保温和除湿。另外，为节省能源减轻重量，驾驶舱设计很小，只能容下一个飞行员。飞机的起飞将完全自动完成，白天它将逐渐升高，夜晚则缓慢滑翔下降，以节省宝贵的能量，飞机底部也将安装太阳能光电板，接受反射的阳光。
“太阳脉动”是一个复杂的工程，科研人员决定分阶段实施，进行充分试验和准备，从而降低风险。 在能源消耗方面，飞机一直是最昂贵的交通手段，温室气体排放占全球3%以上。而太阳能飞机堪称最纯净的绿色飞行方式。皮卡尔预计，“太阳脉动号”太阳能飞机飞行计划代价高昂，需要9400万美元投资，目前没有商业化前景，但科学家们更看重的是宣传无污染飞行，皮卡尔希望这架飞机能引起人们对可持续发展技术更多的讨论。
经典机型
太阳能飞机是上世纪70年代随着成本合理的太阳能电池的出现而问世的，当时只有微型型号，直到1980年才首次载人飞行，但从来没有进行过载人整夜飞行，而且飞行距离一直较短。
“太阳神”号活动机翼全面伸展时达75米，连波音747飞机也望尘莫及，可惜它在一次试飞中突然解体坠毁。
“太阳神”号
重量：590公斤
翼展：75米
速度：30-50公里/小时
最著名的太阳能飞机是AeroVironment公司为NASA的环境研究机和传感器技术计划研制的“太阳神号”无人机。
“太阳神”号耗资约1500万美元，用碳纤维合成物制造，部分起落架材料为越野自行车车轮，整架飞机仅重5
90公斤，比小型汽车还要轻。“太阳神”在外形方面的最大特点就是有两个很宽的机翼，其机身长2.4米，而活动机翼全面伸展时却达75米，连波音747飞机也望尘莫及。
“太阳神”号机身上装有14个螺旋桨，动力来源于机翼上的太阳能电池板。在早晨阳光不是很强烈时，“太阳神”装备的太阳能电池可以为飞机提供10千瓦的电能，使飞机能够以每秒33米的速度爬高。中午时分，电池提供的电能达到40千瓦，飞机的动力性能达到最佳状态，能以每小时30至50公里的巡航速度飞行。晚上，飞机则依靠储存的电能进行巡航飞行。
2001年研究人员将“太阳神”号运往夏威夷，装上65000片太阳能板，由地面两名机师透过遥控设备“驾驶”； 在10小时17分的飞行中，“太阳神”号达至22800米的目标高度。研究人员预计“太阳神”号最高可飞到30000米高空，超出喷气式客机飞行高度3倍多。
不幸的是，2003年6月26日，“太阳神”在试飞时突然空中解体，坠入夏威夷考艾岛附近海域。事后经调查，“太阳神”号在空中飞行36分钟时突然遭遇强湍流，引起两个翼端向上弯，致使整个机翼诱发严重的俯仰振荡，超出飞机结构的扭曲极限。
“天空使者号”设计图
“天空使者”号
重量：2.6公斤
翼展：3.2米
速度：30公里/小时
“天空使者号”实际上是苏黎世瑞士联邦理工学院和欧洲宇航局合作设计的一款太阳能驱动火星研究飞行器。研究者相信随着技术的进步，在10年至20年内“天空使者号”将能够抵达火星内轨道。
“天空使者号”能够在火星上空飞行，必须满足以下火星飞行条件：低密度大气层、微弱的太阳能、多变的风向和冰点以下温度。为了满足这些限制条件，科学家们论证得出飞机的最佳翼展约为3米。而目前电池重量占了整个飞机2.6公斤的约一半。
2005年初，科学家们建造和测试了首台原型机，通过手动发射，该原型机在地球上空持续飞行了5小时。原型机采用了包括西印度轻木虑芯和碳纤维在内的刚性轻质材料制作而成。飞行器配备了216块硅太阳能电池，在理想太阳光条件下可以为飞机提供80瓦特以上的电力。
由于拥有小而轻质的结构，“天空使者号”可以装载一些高技术设备。数字传感器可以测量高度和空速，这使飞机能够在诸如海岸或者峡谷之类的目标上空飞行。携带的电荷耦合照相机(CCD)可拍摄地面图像。当飞机自动驾驶出现故障时，科学家还可以通过一个地面控制站监控和给飞行中的飞机发送指令。
“西风”号
重量：33公斤
翼展：12.2米
速度：70米/秒
2006年8月，英国科学家研制的全球首架太阳能无人侦察机——“西风”(Zephyr)号试飞成功。该机采用全球定位系统导航，最大飞行高度可以达到40000米。它依靠太阳能电池提供动力，可持续飞行3个月之久，对目标实施长时间的高密度监控。预计未来两年，它将被广泛用于阿富汗和伊拉克战场。
从2003年到现在，研究人员已先后制造了四架样机，它非常轻巧，总重量仅33千克。机翼由碳素纤维制成，宽12.2米，表面覆盖着一块块太阳能电池面板，收集到的太阳能一方面驱动螺旋桨，一方面储存到40节锂电池中，供夜间使用。为防止机身表面温度过高，“西风”号表面涂满了一种特殊“太空油脂”。航空润滑油也是特制的，能在极端气温条件下保护轴承。
虽然体积和重量“缩水”，可是“西风”号的功能却大大增强了，它上面的照相机可以从18288米的高空，精确拍摄大小仅为25.4厘米的地面目标。同时，它还可以接收和传播特种部队士兵从远方发送来的无线电信号。
不过，由于“西风”号是为高空飞行设计的，机身脆弱，动力小，因此完全不能依靠自身动力起飞，寻找一种稳定可靠的发射方式，正是现在的研制重点。2006年8月初，“西风”号模型机在美国新墨西哥州成功完成试飞，由于它的自身动力过于弱小，在试飞过程中，3名男子顺着风沿着跑道一路狂奔，才总算将它“送”上蓝天。 
驾驶舱设计很小，只能容下一人
“太阳脉动”号
重量： 约2吨
翼展： 80米，超过空客A380的翼展
时速： 70公里/小时
飞行高度：可达1万至2万米。
发动机： 机翼上配备4部螺旋桨发动机
太阳能锂电池：超薄型、可抵御零下60℃低温和80℃的高温
太阳能板面积：240平方米，能储存足够的太阳能，让飞机在黑夜中靠锂电池驱动螺旋桨 
“太阳脉动号”机翼上装备4台电动螺旋桨发动机
载人环球行 将飞经深圳
2007年～2008年前后，科学家将制出一架机翼翼展60米的“太阳脉动”号样机，进行短距离夜间飞行。
2009年～2010年，制造出翼展为80米的样机，实现长距离不间断飞行，比如飞越大西洋和跨洲飞行。
2010年5月开始，“太阳脉动”号将进行有着陆环球试飞，从欧洲出发，在波斯湾着陆，又从好望角到中国南部的深圳，再飞越太平洋到加州，最后经纽约和巴黎回国。途中在每个大陆着陆一次，每个航段持续4~5天，这是飞行员能够承受的极限。
当电池效率达到足够水平，使重量得以进一步减轻时，“太阳脉动号”将改装成可载两人，在北半球最终完成不着陆、无燃料环球飞行，平均速度每小时80公里。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/5/2007) |
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