你的问题得到了解答:太阳能飞行

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明年,我们将看到世界上首次尝试驾驶完全由太阳能驱动的飞机环球飞行。在工程师安德烈·博尔施伯格和精神病学家伯特兰·皮卡德的带领下,“阳光动力号”试图向世界展示太阳能的可能性。

他们的第一架太阳能飞机已经展示了24小时不间断飞行的能力,现在他们又推出了第二架更高效的单座飞机,这架飞机将使他们能够轮流飞行长达5个连续昼夜,包括飞越大西洋和太平洋。

阳光动力2号首次户外技术测试
准备进行第一次户外技术测试

我们提出了关于建造这样一架飞机的工程挑战,飞行它的个人挑战以及该项目对两位太阳能飞行员及其支持团队的更广泛影响的问题。

新的阳光动力飞机和原来的飞机之间最大的变化是什么?

Andre Borschberg首先,我们提高了性能,以减少我们的能源消耗,有更多的储备。然后,我们修改了驾驶舱以改善人体工程学。此外,我们需要一架更可靠的飞机,配备冗余安全系统和防漏电路,以便在潮湿条件下飞行。最后,我们有一种自动驾驶仪,我们称之为稳定增强系统(SAS),它会保持飞行高度和方向,这样飞行员就可以休息了。

你们使用的太阳能板的规格是什么?它们是现成的还是定制的,它们是如何适应/设计以获得最佳性能、重量等的?

AB太阳能电池由硅谷高效太阳能电池、太阳能电池板和太阳能系统制造商SunPower公司提供。SunPower的Maxeon太阳能电池技术之所以被选中,是因为其效率(22.7%)领先业界,而且太阳能电池的平均厚度仅为135微米,这对飞机的功率重量比很重要。

阳光动力2号上有17248块太阳能电池

相比之下,家用太阳能电池板的效率为16%。卫星上使用的太阳能电池板效率最高(30%),但它们对太阳能飞机来说也太重了。阳光动力2号上有17248块太阳能电池。太阳能电池板由“阳光动力号”的工程师组装并安装在飞机上。

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飞机上覆盖着超过17000块太阳能电池板

你认为你在太阳能电池板上的工作可以在项目之外找到应用吗?

阿瑟:是的,情况已经是这样了,而且不仅仅是在太阳能电池板领域。“阳光动力号”的大多数合作伙伴都将该项目作为技术开发平台。他们在研发上投入了大量资金,当然目标是将开发的解决方案商业化。索尔维:国际化学集团是我们的主要合作伙伴之一,已经生产了两种重要的解决方案,以保护太阳能电池板在飞行过程中免受恶劣条件的影响,同时又不改变能量的捕获。它已经在这个项目之外实施了这项技术。

我们询问了一位太阳能应用领域的专家,“阳光动力号”将如何影响更广泛的电力系统领域

克里斯托弗·埃莫特,伦敦帝国理工学院物理系和格兰瑟姆气候变化研究所

“阳光动力号”是太阳能可以实现的一个令人难以置信的例子,并为其批评者提供了强有力的论据。这个项目展示了太阳能的潜力,甚至可以为飞行等最耗能的活动提供动力。

通过夜间飞行,“阳光动力号”表明,尽管太阳能的来源是间歇性的,但它仍然是有用的。通过环球飞行,这架飞机为这项技术的成就提供了一个灵感点。

“来自‘阳光动力’团队的努力和创新可能会为机载太阳能带来一个新的市场;通过大气卫星”

然而,很难说这些技术创新将为地面太阳能发电带来任何进步。安装在飞机机翼上的太阳能电池由SunPower公司提供,是高效率和低重量的理想组合。然而,它们被做得更薄更轻,以最大限度地提高效率,而不是减轻重量,它们的发展并不是由“阳光动力号”的需求主导的。

虽然卫星工业早在20世纪70年代和80年代就为太阳能发电提供了起步所需的早期市场,但“阳光动力号”并没有提供这样的市场,因此也就没有推动这项技术的动力。然而,来自阳光动力团队的努力和创新可能会导致机载太阳能的新市场;通过大气卫星。通常安装在太空卫星上的设备,可以安装在小型太阳能无人机上,能够在空中停留数年,使其更便宜、更容易、更节能地送入轨道。

你们使用什么电池技术,为什么?

阿瑟:我们使用的是锂聚合物电池。由于重量,效率和寿命比,它们是该项目中最好的电池。它们是用一种新技术制造的,一种创新的化学配方,改进了氧化过程。索尔维还投入研发资源,提高能量密度,达到260Wh/kg。它已经将这项技术(PVDF粘合剂,氟化聚合物)商业化,用于汽车工业,以及便携式电子产品。

飞机有什么后备动力系统?你们有什么紧急预案?

阿瑟:这架飞机没有任何备用电力系统。该团队致力于冗余安全系统,以避免轻微故障影响飞行。例如,我们的主要合作伙伴之一欧米茄(OMEGA)引入了一种能量调度器,确保如果四个太阳能动力发动机中的一个出现问题,可以通过将能量从故障发动机的电池转移到正常发动机的电池来重新平衡它们之间的能量。

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Andre Borschberg和Bertrand Piccard在阳光动力2号前

这架飞机有什么样的飞行员控制系统?它是否利用了GPS和自动驾驶仪之类的东西?

阿瑟:这架飞机配备了传统的飞行员控制装置。我们没有操纵杆,只有一个控制轮,控制是完全机械的,采用低摩擦技术。驾驶舱仪表包括传统的飞行仪表,为飞行员提供有关飞机飞行情况的信息,如高度、速度和方向。它们还包括导航仪器,如GPS、甚高频通信设备和卫星通信,以及提供电池状态和发动机功率信息的发动机仪器。

阳光动力号配备了一种特殊的飞行仪器来测量飞机的倾斜度。它被称为欧米茄仪器,由瑞士航空传奇人物克劳德·尼科利耶(Claude Nicollier,也是欧洲航天局的宇航员)设计,并由欧米茄工程团队构思。它也有前面提到的SAS自动驾驶仪。如果没有SAS,飞行员将无法连续飞行好几天,但多亏了这个系统,他可以休息。该系统中嵌入了一个与传统自动驾驶仪相当的新功能,即监控和警报系统,旨在监测飞机、飞行员和自动驾驶仪,同时发现任何异常或超出安全限制的情况。

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阳光动力号完成了穿越美国的最后一段飞行

飞行员如何避免由于长时间不活动而在四肢形成血栓?

阳光动力团队:他们将在飞行中进行锻炼。他们从瑜伽、普拉提和伸展运动中汲取灵感,进行日常锻炼,以调动身体的不同部位,避免行动不便。要做到这一点,飞行员可以将座椅向后倾斜,直到它处于水平位置,以伸展他的腿。

飞船会携带任何东西来保持他们五天五夜的精神刺激吗?这会增加多少重量?

坐:飞行员通过卫星通信不断与任务控制中心保持联系。飞行指挥和他的团队是地面上的“副驾驶员”。飞行员可以随时和别人交谈,在适当的时间,我们会组织媒体在飞行中采访飞行员。这也是在长途飞行中刺激飞行员的一种方式。事实上,他在飞行期间非常忙,要协调飞行、吃饭、交流、休息、锻炼、向任务控制中心汇报情况,还要欣赏风景。飞行员不会有太多时间感到无聊。

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在机翼上安装襟翼和副翼

你认为第一架太阳能商用飞机什么时候能造出来?你认为太阳能在商业飞行中会发挥多大的作用?

伯特兰皮卡德:我们的主要目的不是革新航空业,而是改变人们对能源和清洁技术的看法。如果“阳光动力号”的能源技术得到大规模应用,世界将能够节省目前化石能源消耗的50%,剩下的一半将用可再生能源生产。

至于航空业,它很清楚自己需要改变。然而,这不能像“阳光动力号”那样彻底。我们的项目涉及零燃料:传统航空不能直接切换到零燃料。需要采取中间步骤,例如使用更轻的材料,更直接的路线或通过不断下降而不是进行水平降落来接近机场。电动飞机前景光明,首先是用于私人航空和学校教育。商业航空将是最后一个能够停止使用燃料的运输领域。

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“阳光动力号”将尝试首次利用太阳能进行环球航行

你认为我们什么时候会到达不可再生(肮脏)能源到可再生(清洁)能源之间的拐点?您认为这一必要转变的主要障碍是什么?

英国石油公司:我们不断听到可再生能源永远无法取代化石燃料,此外,可再生能源太贵了。我们认为这些论点是错误的。

因此,我们必须从节约开始,即通过使用清洁技术来减少我们的消费。这可以通过隔热建筑、现代化供暖和空调系统、使用LED照明、在汽车中安装电动或混合动力发动机以及发展智能电网来实现。所有这些都将创造新的就业机会、新产品和新市场。这将提高生活水平,增加购买力。最重要的是,它最终将改善一个国家的贸易平衡,因为没有花在国外的石油、天然气或煤炭上的每一分钱都可以在当地投资于可持续的基础设施。

用银色薄膜覆盖泡沫座舱外壳
用银色薄膜覆盖泡沫座舱外壳

然而,我们缺乏政治勇气和法律框架,迫使社会、制造商和消费者走到一起,使用使我们能够节约自然资源的技术。如果我们想要激活我们的工业,创造就业,增加我们的购买力,改善我们的贸易平衡,同时保护环境,这就是我们必须鼓励的。

最大的矛盾是,我们再也不能简单地采用一种右翼主义或一种左翼主义。在每一种学说中,无论是右翼还是左翼,都有达到有效结果所绝对必要的协同作用。为了应对当前的挑战,你需要企业家,你需要一个由国家实施的法律框架来鼓励他们。

寻找太阳的人:“阳光动力号”并不是建造太阳能飞机的唯一尝试。

空中客车公司也在开发一种太阳能飞机
空中客车公司也在开发一种太阳能飞机

2013年,空客接手了另一项引人注目的研发工作,即开发太阳能飞机。

最初由Qinetiq公司的工程师开发,Zephyr太阳能无人驾驶飞行器(UAV)可以用于长期监视或作为在偏远地区提供无线通信的手段。

我们向空客询问了诸如“西风”和“阳光动力”这样的项目对航空航天工业的广泛影响。

保罗·布鲁克斯,高空伪卫星(HAPS)计划,空中客车防务与航天公司:

这种效率特性可以应用到其他飞机上,例如我们设计的气动螺旋桨。和风的飞行速度与其他飞机非常不同,但空气动力学的理解是至关重要的。另一个方面是结构。Zephyr的结构只有20公斤重,包括23米的翼展,但可以承受超过自身重量5倍的载荷。它符合标准飞机的所有要求,但非常轻。

有了薄壁复合材料和建造技术的研究,你甚至可以研究载人飞机。你必须使结构坚固,以承受你所承载的重量,但这个过程和对这些非常轻的薄壁复合结构如何工作的理解已经得到了很好的发展。

我们可以看到太阳能在航空航天领域的作用。如果你能制造出非常轻的太阳能电池阵列,那么你可以想象它会产生有用的辅助动力,从而减轻飞机的负荷。我们能设想太阳能商业客机吗?不。小型车辆会发挥作用吗?可能。对我来说,这是一个小型的个人汽车利基市场。但是从你需要开发的技术和由此产生的可以应用于航空航天领域的副产品来看,这总是很有效的。你挑战极限,你想出一些结构上的,效率上的节约,然后你发现你可以在航空航天的很多不同部分使用它