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全球首架环球飞行太阳能飞机背后的科技链

2015-05-04 08:40:00

 

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飞机制造是一项集合工程,背后需要强大的产业链和研发作为支撑。“阳光动力2号”机翼长达72米,比波音747飞机还要长,但其重量仅相当于一辆家用SUV。机翼上安装17248片太阳能电池板,厚度仅135微米,但转化率达22.7%。

如果要震惊这个世界,还有什么比环球航行更让人印象深刻呢。

3月31日,瑞士飞行员伯特朗·皮卡尔和安德烈·波许博格驾驶全球首架环球飞行太阳能飞机“阳光动力2号”飞抵山城重庆;三周后的4月21日,阳光动力2号降落在南京。

“在之后不到一个月的时间里,我们要为阳光动力2号最长的一次飞行——从南京到夏威夷——足足五天五夜的飞越太平洋之旅做好准备。”安德烈·波许博格表示。

“阳光动力2号”完全依靠太阳能发电驱动,由瑞士一家团队历时12年制造。

“作为飞行员我飞得还比较轻松,我们位于摩纳哥的控制中心团队的准备工作却充满了挑战。我们模拟了所有可能的飞行轨迹,来确保阳光动力2号能够尽快继续飞行”。

由于“阳光动力2号”的机翼展开后长达72米,比波音747飞机还要长,但其飞机重量仅相当于一辆家用SUV,这使得其对气象条件要求极为严格。

为实现飞行旅途的顺利,该团队及其合作机构开发了碳纤维、防水树脂等新材料,使用了高转化率的太阳能电池和直流电机。在一系列新材料、新科技的推动下,人类第一架太阳能飞机即将跨越太平洋。

集纳新科技大成

2015年3月,阳光动力2号从阿联酋阿布扎比起飞后,先后经停阿曼,印度艾哈迈达巴德、瓦拉那西,缅甸曼德勒,并于3月31日飞抵中国重庆,并降落在南京。按照计划,“阳光动力2号”将在南京停留一段时间,并在中国开展新能源宣传活动。随后飞机将从南京飞往美国夏威夷,这段旅程需要五天五夜。最后经美国和欧洲南部后返回阿布扎比,总航程将达3.5万公里,预计用时5个月。

“阳光动力2号”之前,曾经有其第一代模型“阳光动力1号”,美国国家航空航天局和无人机公司AeroVironment研发的“太阳神号”等飞机进行过太阳能作为飞行动力的尝试。

“阳光动力2号虽不是世界上第一架太阳能飞机,但却是第一架能够进行跨洋和跨大陆飞行的太阳能飞机。”“阳光动力2号”飞行员、联合创始人安德烈·波许博格表示。

“阳光动力2号”能够进行环球航行的原因在于其研发、集成许多新材料。

在机翼全部打开后,“阳光动力2号”的翼展可达72米,超过商用客机波音747的68.5米的宽度,但其重量却只有约2300公斤,与一辆家用SUV相当。在狭小的机舱内,两名瑞士飞行员将轮流驾驶,每次连续飞行5个昼夜,速度在每小时50到100公里之间。

飞机制造是一项集合工程,“阳光动力2号”将空气动力学、材料学、电子制造、人机工程学等先进技术集成一体。其在72米长机翼上安装的17248片太阳能电池板,综合考虑能量转化、重量等因素。“阳光动力2号”的太阳能电池厚度仅135微米,相当于人的头发丝的厚度,但是转化率达22.7%,相比之下,一般家用电池板转化率为16%,卫星上的电池板转化率虽然高达30%,但又显太重了。

在机身部分,“阳光动力2号”使用了碳纤维材料,承载能力高重量轻,其中一些碳纤维板材每平方米的重量从100克降低至仅有25克。

为了减重,吊舱未配备增压和空调系统,而是通过舱体使用高绝缘硬质泡沫材料,隔绝温度在-40℃至70℃之间。为低于气温变化,飞机同时为飞行员配备特殊飞行服。

“阳光动力2号”背后的科技链

飞机制造是一项集合工程,背后需要强大的产业链和研发作为支撑。

“阳光动力项目历时12年,中间离不开政府和公众的支持,但是大部分支持是由私人企业提供赞助合作”,瑞士驻华大使戴尚贤表示。

“阳光动力2号”目前只能维持一名驾驶员操纵,其机身上17248片单晶硅薄膜太阳能电池能产生最大70千瓦的功率,可以为四台单台功率13.5千瓦的电动机提供动力,目前尚不具备民用航空的可能性。

虽然无法用于航空,但“阳光动力2号”的新材料和新技术开始应用。

“目前飞机上使用的这些材料,都有着非常突出的机械表现和电力表现。我认为这些新的技术,这些新的发展都会在未来应用于不同的产业的升级换代”,参与“阳光动力2号”的ABB工程师Tamara表示。

“比如说ABB的变频器节省的能源够1亿欧洲家庭使用,我们在荷兰有很多电动车的快速充电装置,在中国也和比亚迪合作开发电动汽车的移动充电装置,所有这些都在这个阳光动力传播的信息之下”,ABB集团副总裁MichaelPietig表示。

事实上,“阳光动力2号”是瑞士式科技创新和产业链整合的典型案例。该飞机的可行性研究、设计和制造历时12年,耗资1.3亿瑞士法郎。

“阳光动力首先得到了企业的支持,之后找到瑞士的科研机构和瑞士的大学,得到技术上的支持,最后瑞士政府提供了外交上的支持”,戴尚贤说。

他表示,瑞士政府投入几百万瑞郎,但是考虑到这是一个长达十二年的项目,除了政府的资金投入,还有大学的科研投入,大部分还是瑞士公司的支持。在这架飞机上的的研制上,瑞士政府提供了办公室、机库和测试场地,可行性研究是在洛桑联邦理工大学进行。此外,还有多家商业公司提供碳纤维复合材料、超轻薄层板技术、太阳能电池、高绝缘硬质泡沫和直流电机等设备。

“阳光动力更多的是传达了一种信息,它向世界传达人类可以做超过今天我们已有的技术,超过传统的这些技术”,MichaelPietig表示,ABB会把“阳光动力2号”所应用的这些产品技术真正地落实到实处来推广,来放到我们的产品里面,从而实现了从一个梦想到一个具体的商业生产的过程。

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