科学技术协会
 
用户∶  密码∶    · 修改密码
 首页  组织建设  学术交流  科学普及  智库建设  学会交流  学生科协  科协论坛  科普知识  科协项目  专利产品 
当前位置: 首页>>科普知识>>正文
  •  首页 
     组织建设 
     学术交流 
     科学普及 
     智库建设 
     学会交流 
     学生科协 
     科协论坛 
     科普知识 
     科协项目 
     专利产品 

科普知识

未来能源:阳光动力二号环球飞行揭秘
2016-05-10 16:29 中国科协网  中国科协网 审核人:校科协

人类是一个热衷挑战的物种。最高的山,最深的海,最远距离的飞行,这些挑战除了考验人的精神与体能,同时考验技术水平。最好的潜水艇才能抵达大洋底部,最好的飞行器才能飞跃整个星球。

随手打开任何一个表现未来的电影与电视节目,几乎都可以看到同一个相似的场景:具有黑色表面的车辆与飞机安静的前进。太阳能与电力驱动,这就是人类对未来交通工具的想像,也是比较合理的想像。Tesla的火爆是因为足够酷,但电力驱动本身并不是什么新鲜事物。电力驱动能量效率高,动力高度可控,无需变速箱调整功率与扭矩,同时安静、清洁。

但电力驱动和传统能源使用体验上的最大不同,就是电力补充太慢。而无处不在的太阳能刚好可以补上这个短板。目前,太阳能光伏电池的效率大约在30%以下徘徊,一般采用并联与电池储存的方式达到增强续航和功率的要求。

太阳能清洁飞行历史

70年代,太阳能飞机就是单座小型飞机上安装太阳能电池,勉强能飞而已。1981年,“太阳挑战者”号太能能飞机飞越了英吉利海峡,创造了当时的记录。2001年,最著名的太阳能飞机“太阳神”号完成了无燃料飞行器飞行海拔高度的纪录,飞行高度29524米。“太阳神”拥有可以提供40千瓦峰值功率的太阳能电池组,配合普通电池与液氢电动机可以完成长达两周的不间断无人飞行。在即将到来的2015年3月,伯特兰•皮卡德(Bertrand Piccard)和安德烈•波尔施博格(André Borschberg)将驾驶太阳能动力飞机“Solar Impulse 2”号(阳光动力2号),连续五天日夜兼程,用时四到五个月穿越海洋陆地,完成人类史上首次环球太阳能环球飞行计划。

本次即将启程的“阳光动力2号”是Bertrand Piccard和André Borschberg制造的第二款太阳能飞机。初代产品“阳光动力号”(Solar Impulse)曾在2012与2013年进行长距离飞行测试,2012年完成了瑞士飞往西班牙1116千米的不停站纪录,2013年则完成了横跨美国的飞行测试。“阳光动力2号”使用了与前作大体相似的结构,但是在核心部件部分都有了大幅更新。

“阳光动力2号”大升级

曾经的“阳光动力号”机身表面覆盖12000个太阳能电池阵列,展翼208英尺,四台10马力电动机。“阳光动力2号”是在1号的瞩目中诞生,众多大公司与学校参与了这个项目。飞机的翼展提升至71米(236英尺),核心部分太阳能电池阵列换装了全新的薄膜太阳能电池,能量转化效率22.7%,共17248块,能为飞机提供65千万的峰值功率。

动力部分也有升级。在机翼下方的四个发动机吊舱中,安装了全新的四台无刷直流电机,动力提升至17.4马力,螺旋桨稳定转速提升到525转每分钟,时速提高到最高约90公里每小时。为了满足昼夜飞行的需求,发动机吊舱中安装了633公斤重的的锂离子电池。但“阳光动力2号”的难题不在白天,还是在黑夜。经过飞机制造团队的全面优化,在24小时的周期内,飞机可以输出15千瓦的稳定功率。

“阳光动力2号”的翼展超过72米,比魔音747-8型喷气式飞机还长6米。但747-8净重超过300吨,而“阳光动力2号”仅重2.3顿。与尺寸相比,这架太阳能飞机简直薄如蝉翼。得益于机身骨架使用的碳纤维蜂窝夹层材料,这种材料重量密度仅有25克每平方米,比纸还要轻3倍,但是强度完全满足飞机的机械要求。飞机表面使用的是柔性蒙皮,主要目标也是减重。

单人五昼夜环球之旅

“阳光动力2号”希望在2015年达成环球飞行的目标,计划单次飞行时间5昼夜,两位飞行员轮换完成。实际上,完成这样的飞行难度不在于飞机性能,而是体能极限。

2009年,《Popular Science》上刊登了一则热气球不停站环球飞行的故事。“百年灵轨道飞行器3号”(Breitling Orbiter 3)热气球从瑞士出发,历时19天21小时47分钟,飞行距离为45755公里。气球的两位驾驶员中,就有“阳光动力号”的联合创始人伯特兰•皮卡德。当年的气球旅行举世瞩目,除了气球运动充满不确定性之外,两位驾驶员在吊舱中的极限生活也是挑战—毕竟空间狭小,食物与饮水都非常有限。

但和“阳光动力2号”的环球旅行相比,气球飞行至少还能睡个好觉。在“阳光动力2号”计划的环球旅行中,五昼夜的单次飞行中飞行员只能把座椅放倒简单休息,并且会有仪器监控飞机状态,如果遇到异常,会迅速把飞行员叫醒。要知道,与一般的飞机不同,这架极限轻量化的太阳能飞机动力有限,同时翼展极宽,机翼载荷又很小,这使得飞机非常容易受到气流影响,难以控制。同时,为了兼顾太阳能电池的充电,飞机起飞后并不是快速巡航高度,而是需要分阶段爬升至约9千米的高度,让太阳能电池达到最大功率状态充电,在后续的旅程中,飞机要按阶段下降高度,利用气流节省电力,维持夜晚的低空飞行。

困难的是,“阳光动力2号”的机舱并不密封加压,仅靠材料保温。在8千米高空零下40摄氏度的环境中,机舱的温度肯定会下降相当大的程度。在狭小的机舱中,吃饭喝水上厕所这样简单的事情都变得复杂起来。同时,飞行员既要克服空中飞行阶段的无聊境况,在需要休息时却又要长期保持专注。总的来说,这趟旅程对驾驶员的考验要大于飞行员。

不烧一滴油的未来意义

油一定是会烧光的,人类文明也是要继续发展的,在可见的未来,太阳能一定是最重要的新能源之一。目前,利用太阳能基本上有两种形式,一种是太阳能热电,这种方式其实就是汇聚太阳光加热过锅炉,利用水蒸气推动汽轮机发电。这种方式效率较低,与常规的热电也没有本质区别。

第二种方式就是太阳能光伏发电,利用太阳光照射在半导体材料上的光电效应,直接收集电子流动发电的方式。按照制作材料,太阳能电池可以分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳能电池来说最重要的参数是转换效率,目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中,最高的单晶硅电池效率为25.0%,多晶硅电池效率为20.4%,CIGS薄膜电池效率达19.8%,CdTe薄膜电池效率达19.6?%,非晶硅(无定形硅)薄膜电池的效率为10.1%。

在可见的未来,太阳聚变能够提供的光照是最稳定的能量来源。在利用太阳能这件事上,科学家还有过更疯狂的设想,“戴森球”就是其中之一。戴森球的概念源自于美国物理学家、数学家弗里曼•戴森的思想实验。他认为,任何技术文明对能量的需求都是稳定增长的,如果人类文明能够延续足够长的时间,就必然有一天对能量的需求会膨胀到要利用其母恒星“全部”的能量输出。他认为此时就有必要建立能够拦截和收集母恒星发出的所有能量的轨道结构。

简单地说,戴森球就是一个在一定位置上把恒星完全包在其中的巨型壳状结构。我们的太阳大约能够输出3.86×1026瓦的能量,如果人类能够完全收集这些能量,就可以实现一些非常宏伟的目标,比如改造行星,驱动星际飞船。但是实际上,“戴森球”最可能的建造方式绝不可能一个密闭的壳体,因为即使在一个天文单位上建造这个壳,所需要的建筑材料甚至超过了整个太阳系中所能提供的元素。

最接近戴森最初概念的可行变体是“戴森云”。它由巨大数目的密集环绕恒星运行的独立结构,它们可以是太阳能卫星或者太空定居点组成。当然了,这个上帝工程可能永远只是思想实验,但太阳能开发的方向显然是正确的。在我看来,“阳光动力2号”环球之旅最重要的的是象征意义。它象征着人类对新能源的探索精神,以及对未知旅程和身体极限的挑战。虽然现在太阳能商业飞行还是梦想,但正如伯特兰•皮卡德所说:这不仅是航空业的一次彻底变化,也是生活方式的一个完全转变。

关闭窗口

Copyright © 2016 版权所有:重庆交通大学-科学技术协会  网站管理
地址:重庆市南岸区学府大道66号 电话:023-62789019 传真:023-62652463 邮箱:xkx@cqjtu.edu.cn