未來誰將可能引領通用飛機技術的革命性發(fā)展?在環(huán)境友好、高效節(jié)能、結構簡化方面,電動飛機或許是最好的答案。最近十多年,各類電動飛機研制進展迅速,小型鋰電池電動無人機已被廣泛使用,商品化有人鋰電池飛機正在開發(fā)中,有人太陽能電動飛機已經開始分階段環(huán)球飛行。本文將主要介紹取得突破性進展的鋰電池和
“陽光動力” “陽光動力”項目由瑞士神經學醫(yī)生、探險家伯特蘭•皮卡德(Bertrand Piccard)發(fā)起,瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)等多家研究機構提供技術支持,是世界上第一款具有晝夜連續(xù)飛行能力的有人駕駛太陽能飛機。為了宣傳節(jié)能環(huán)保,推動可再生能源的開發(fā)和利用,“陽光動力”飛機進行了多項歷史性創(chuàng)紀錄飛行,并將實現橫跨美國大陸和跨大西洋、太平洋的分階段環(huán)球飛行。
“陽光動力”項目正式命名于2003年下半年,此后伯特蘭•皮卡德成立了陽光動力公司開展飛機的研制工作。2003年底環(huán)球飛行太陽能飛機的初步方案出臺,“陽光動力”飛機項目正式發(fā)起,伯特蘭作為項目總負責人,領導飛機研制、尋找合作伙伴、募集資金等工作。工程師、飛行員和管理專家安德烈•博爾施博格(Andre Borschberg)擔任CEO,負責搭建技術團隊和監(jiān)督飛機制造。兩人同時還是“陽光動力”飛機的試飛員和駕駛員。“陽光動力”飛機研制團隊集合了歐洲眾多技術資源,團隊成員均為航空技術領域相關專業(yè)的專家,有著卓越的才能和合作精神,此外,還得到了100多位專家顧問和數家國際知名企業(yè)和機構的鼎力支持。
美國太陽能飛行公司 “尋日器”
“陽光動力”號飛機共有兩架,分別為用于驗證晝夜連續(xù)飛行技術的單座型技術驗證機——“陽光動力”1號和雙座型創(chuàng)紀錄飛行飛機——“陽光動力”2號!瓣柟鈩恿Α1號于2009年年中完成制造并進行首次地面高速滑跑試驗;2010年實現首飛并完成了晝夜連續(xù)飛行26小時等飛行驗證試驗;2012年年中實現了橫跨歐洲和非洲總航程6000千米的飛行;2013年中,實現分段橫跨美國大陸的飛行!瓣柟鈩恿Α2號于2013年完成制造,2014年6月成功首飛,繼續(xù)進行一系列后續(xù)試驗后,預計將于2015年開始分階段環(huán)球飛行。
“陽光動力”1號的飛行是晝夜連續(xù)式的。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,還采用了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。
2004-2006年是“陽光動力”1號飛機研制的概念發(fā)展階段,設計方案在此期間定型,最初的方案主要包括雙發(fā)布局、卵形駕駛艙四發(fā)布局和一體式機身四發(fā)布局三種,經過多次調整和優(yōu)化后,最終確定了一體式機身外形和布局。2007年,開始進行詳細設計和原型機試制,陸續(xù)研制出了各種結構工程試驗件、飛機系統(tǒng)設備和地面飛行模擬器,并進行了大量的試驗和測試,包括結構強度檢測、動力系統(tǒng)(電機-螺旋槳、鋰-聚合物電池、控制系統(tǒng)、吊艙結構等)試驗,以及全機振動試驗等。
“陽光動力”1號橫跨美國飛行
“陽光動力”飛機的設計和制造面臨了前所未有的技術挑戰(zhàn),為此,研發(fā)團隊首先研制出了一架單座型技術驗證飛機進行全面的技術驗證,特別是夜間飛行技術的驗證。飛機夜間飛行時為了避開航線上的云層區(qū)域,需要選用曲折蜿蜒的飛行路線,因此飛行方式更為復雜。2005年到2008年間,驗證機在真實氣象狀況下進行多次模擬飛行,用于評估其整個夜間的飛行能力。“陽光動力”1號技術驗證原型機,用于實現36小時空中連續(xù)飛行,采用了非增壓座艙設計,2009年年中完成制造,2010年4月實現首次高高度飛行,飛機憑借蓄電池電能飛到了1200米高度,飛行時間87分鐘。同年5月,首次完全使用太陽能電池動力飛行,飛行過程中太陽能電池還向蓄電池充電,此后,在進行26小時連續(xù)飛行實驗時首次實現晝夜太陽能循環(huán)。
“陽光動力”1號飛機的研制和試驗花費了近百名專家7年的時間,期間,獲得了大量寶貴的創(chuàng)新經驗,從最初的概念構想到各項任務的順利完成,均實現了巨大技術進步。在此之后,研發(fā)團隊又開發(fā)出了雙座型“陽光動力”2號,用于執(zhí)行超長續(xù)航時間飛行任務,包括橫跨美洲大陸和大西洋,以及分段環(huán)球飛行。
“陽光動力”2號可實現環(huán)球飛行,其主要特點是尺寸加大,使用增壓座艙和更先進的航電系統(tǒng)。2013年制造完成,計劃2015年分階段完成環(huán)球飛行。
“陽光動力”2號的設計目標是能夠實現5晝夜連續(xù)飛行,因此相對于“陽光動力”1號進行了大量設計變動,機翼及動力艙布局全面更改,起落架、駕駛艙和機身也大幅度改進!瓣柟鈩恿Α2號全機重量2300千克,整機結構重量效率達到普通滑翔機的十倍,并且內部有足夠大的空間。其機身為全碳纖維復合材料加蜂窩夾芯結構,所用碳纖維薄板材料密度只有普通打印紙的1/3。機翼上表面蒙皮內封裝太陽能電池板,下表面采用高強度柔性蒙皮。機翼具有良好的剛度和氣動外形,翼展72米,超過波音747大型客機。鋰電池系統(tǒng)使用高密度泡沫絕緣體包覆,安裝在四個動力艙內。再加上單晶硅太陽能電池,電池總重約為全機重量的四分之一。四臺電機安裝在翼下動力艙內,通過減速器驅動雙葉螺旋槳。整個系統(tǒng)效率94%,達到創(chuàng)紀錄的水平。
“陽光動力”2號的飛行速度范圍為36~140 千米/小時,與小汽車大致相當。為了存儲能量,飛機在晝間爬升到8500米高度,夜間下降到1500米高度。全機24小時飛行平均功率為15馬力,與一輛摩托車相當。駕駛艙的設計保證單人連續(xù)飛行5~6個晝夜,能夠適應外界環(huán)境-40°C~40° C的溫度范圍。駕駛艙容積3.8立方米,可載有氧氣瓶組、降落傘、救生筏,以及一周的飲食供應等。
研制“陽光動力”飛機面臨極大的技術挑戰(zhàn),許多技術難題是世界航空歷史上前所未有的。研制團隊憑借開拓創(chuàng)新、探索未知領域的精神,超越技術極限,獨辟蹊徑創(chuàng)造性地找到最佳解決方案,使飛機研制一步一步走向成功。
“陽光動力”項目歷時12年,預算9800萬美元,完成的工作包括:可行性研究、方案研究、設計和構件制造、2架飛機(1架單座驗證機和1架雙座創(chuàng)紀錄飛行飛機)制造等。負責和參與項目的共有50名工程師和技術人員,80家合作伙伴,100多家顧問和供應商。瑞士聯邦技術學院作為官方科學顧問,提供了各種研發(fā)能力極為強大的尖端實驗室。此外,歐洲航天局(SEA)、達索飛機公司和國際航空運輸協(xié)會也提供了技術支持。由于在開發(fā)“陽光動力”太陽能飛機方面的杰出貢獻,特蘭•皮卡德和安德烈•博爾施博格以及整個飛機研制創(chuàng)新團隊都贏得了國際社會授予的高度榮譽。2009年,伯特蘭和安德烈被授予布倫瑞克獎(Brunswick Prize),該獎用于表彰對經濟和社會做出杰出貢獻的科學家。2010年1月,職業(yè)航空和航天記者協(xié)會授予了他們伊卡洛斯獎(Icarus Award)。
期待“陽光動力”2號完成環(huán)球飛行的創(chuàng)舉,推動太陽能電動飛機技術達到更高的高度!