阳光动力2号环球飞行背后的技术

寂静天花板

新型能源已经被我们赋予了太多的意义，太阳能飞机就是一个传奇故事。Solar Impulse 2（阳光动力2号）代表了一种先锋、探索，通往新世界大门的精神。在[size=1em]中国媒体的集体争相报道之下，阳光动力2号的面纱被层层掀开：15亿欧元的项目预算、两位年过半百的传奇飞行员、向年轻人倡导的创新精神、传递清洁能源理念、太阳能光伏电池与碳素纤维材料、以及太阳能飞机研发团队和技术支持……

如果只能给阳光动力太阳能飞机贴上一个标签，一定是“清洁能源”。在环境污染日趋严重的今天，航空业对大气造成的污染已经越来越不容忽视。近年来，全球各大机场起降和通行的航班数量和密度都在明显增加，以航空飞机为代表的航空器起降以及巡航给空气带来了严重的污染。有数据显示，一架空客A380，起降一次耗费的燃油量将近2吨，相当于数千辆汽车的排放，以广州白云机场起降近千架航班为例，其一天的排放量相当于几十万辆汽车。

倡导清洁能源，正是阳光动力太阳能飞机项目的初衷。阳光动力飞机项目于2003年由瑞士神经学医生、探险家勃兰特?皮卡德正式发起。项目包括单座型技术验证机HB-SIA和双座型HB-SIB两架飞机。HB-SIA于 2007年完成最终设计，2010年7月7日开始进行了26小时的连续飞行,首次实现了昼夜太阳能循环飞行验证。今年该机还将进行其他验证飞行试验。　　HB-SIB双座型飞机用于实现创纪录飞行，主要特点是使用了增压座舱和更先进的航空电子设备。该机2011年开始制造，按照计划2012年开始执行包 括横跨美国大陆、大西洋和太平洋的多天飞行任务，2013年用20～25天时间分阶段完成“零燃料”环球飞行。 经过十三年的探索和尝试之后，阳光动力太阳能飞机已经可以实现零油耗的环球飞行，根据SOLAR IMPULSE团队预计，40多年后，能承载300名乘客的全太阳能飞机有望正式投入运营。
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1 ]- c: s: e- ~* d2 x6 p, P# {! |- q据了解，阳光动力2号的能量来源主要靠机翼上内置的17000块太阳能电池板为电池充电。在它的计划行程中，将要飞越10个国家并在13个地点停留，这其中包括从南京飞跃太平洋前往夏威夷以及美国本土。“阳光动力”飞机实现昼夜连续飞行的方式是，安装锂聚合物电池作为电能存储装置，昼间飞行时将太阳能电池阵列的富余电能储存起来，夜间飞行时为电机供电。 由于蓄电池存储的电能有限，还采用电能转化成势能的方式，即白天利用富余电能推动飞机爬升到较高的高度，夜间飞行时，逐步降低飞行高度，将势能转化成动 能，使飞机保持空中飞行。

$ \5 L$ Z+ e0 }0 ]- a O8 I, C# Y在有关专业人士看来，太阳能光伏电池与碳素纤维材料不算顶尖的新技术，锂离子电池才是阳光动力2号真正的核心技术。在正午时（典型低纬度地区），陆地表面每平方米可以获得的太阳能光能大约为1千瓦。全天24小时平均分 摊，每平方米面积可以获得的太阳能光能只有约260瓦。“阳光动力”号飞机太阳能电池面积200米2，太阳能-电动力推进系统的总效率12%，因此飞机电 机获得的平均功率不足6千瓦——与莱特兄弟1903年进行人类历史上首次动力飞行时能量大致相当。“阳光动力”飞机需从太阳能电池到螺旋桨进行全面优化以 充分利用这有限的能量，并实现不使用燃料的昼夜飞行。
　　“阳光动力”飞机的翼展与A340大型客机相当，而重量大约只是A340的1/200，因此飞机在设计和制造过程中遇到了前所未有的挑战。将典型客机（A320和波音737）和战斗机与太阳能飞机进行结构重量分解对比，这些常规飞机的结构和推进系统重量占全机最大起飞重量的 40%，而太阳能飞机这一数值却高达85%。主要问题是在当前的技术水平条件下，太阳能-电动力系统的重量很大，远远超过常规的喷气发动机以及活塞发动 机。在所能获得的能源有限，太阳能-电动力系统重量无法有效降低的条件下，要完成飞机设计难度极大。
5 V! h/ l& A0 e" |! {* `8 D. J太阳能电池由11628块柔性单晶硅电池组成，总面积200米2，总重量96千克。太阳能电池质地轻盈，且韧性好，可与机翼结构一起变形，但不承载。单块电池规格125毫米×125毫米，厚度仅150微米，额定输出电压0.6伏（随温度和负载变化）。每333块电池构成一个模块，标准输出电压200 伏。每个模块都由最大功率点跟踪器（MPPT）控制，每个MPPT可以控制多达4个模块，整个太阳能电池共有36个MPPT。

　“阳光动力”飞机总重1600千克，其结构重量虽然限定在数百千克，但是仍要保证足够的刚度以及飞行操纵特性等要求。
为保证低速性能和获得足够的太阳能电池安装面积，机翼采用翼展超大的弹性结构设计。要满足大挠度、“变体”结构，需进行复杂的多学科设计/分析方法，并 确保超大尺寸、大挠度结构特性与飞行控制系统协调一致，否则可能发生如“太阳神”无人驾驶太阳能飞机一样的严重坠毁事故。机体选用一些新型重量轻、强度高的材料，包括碳纤维复合材料，以及泡沫、塑料蒙皮等特殊材料。
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$ O5 B: s$ ^2 Q5 m* q　　飞机翼展长达63.4米，机翼结构的主体是61米的盒形梁（主翼盒）。盒形梁分成5段，包括中央段、左右两侧中间段和翼尖段，中央段长约20米，中间段和 翼尖段长约10米，中央段和中间段为等截面，翼尖段截面由内向外逐步减小。各段翼盒之间用4组接头连接。翼盒四面分别由前、后墙和上、下壁板构成，内部翼 肋按大约0.5米间隔布置，共有约120根。翼肋外轮廓近似矩形（翼型剖面），前后各有一个近似矩形的大型减轻孔。翼肋为两面碳纤维面板加中间蜂窝夹芯结 构。

　　整个“阳光动力”飞机项目预算是9800万美元，得到了德意志银行、欧米茄公司、瑞士讯达集团、苏威集团、欧洲航天局、达索系统和国际航空运输协会等80家企业和科研机构的资金资助和技术支持，瑞士联邦技术学院（I'EPFL）是项目指定的官方科学顾问，提供尖端实验室用以研发超轻型复合材料、能源链、人机界面和太阳能电池。

欧米茄公司为“阳光动力”飞机提供了欧米茄仪表，可以保证飞行员控制飞机倾斜角精度在1度之内。欧米茄仪表的其他关键功能是为飞行员提供实际航向信息。由 于“阳光动力”飞机翼展超大，且重量极轻，因此对于空气流动，特别是造成飞机侧向漂移的侧风非常敏感。通过控制面板上安装的发光二极管（LED），飞行员 能够知道精度1°以内的航向数据。飞行员胳膊上佩戴的蜂鸣振动报警装置，可以在飞机出现不稳定状况时提醒飞行员。另外欧米茄还与斯沃琪公司(Swatch)一起制造了着陆灯系统。

ABB，总部位于瑞士，有100多年历史，是全球领先的可再生能源、可持续交通和能源效率企业，目前在全球拥有员工14.5万名。ABB派出工程师参与项目，优化飞机地面控制系统，强化飞机电池系统的充电电子设备，处理飞行过程中出现的紧急情况。

sunpower，美国加州光伏企业，成立于1985年，2005年在纳斯达克上市。这家公司为阳光动力2号提供他们的第一代单晶硅薄膜太阳能电池。这种电池的太阳能转化率达到23%左右，对电能的利用率超过90%。为了给飞机减重，“阳光动力2号”上的太阳能电池板每块厚度只有135微米，相当于人类的一根发丝。

迅达集团，世界第二大电梯供应商，1874年创立于瑞士。派出工程师参与项目，范围涵盖从应用电子到先进结构的各个领域。供应阳光动力号飞机的电气系统。

索尔维，总部位于比利时布鲁塞尔的跨国化工集团，1863年由化学家欧内斯特·索尔维创立，目前在布鲁塞尔和巴黎的纽约泛欧证交所交易。索维尔研发了13种超轻材料和新技术，制造了6000多个部件，为“阳光动力2号”提供了太阳能电池板的UV聚酯防水薄膜、机身碳纤维蜂窝材料、锂电池聚能材料、驾驶舱材料等。机身碳纤维蜂窝夹层材料每立方米仅重25克，密度是一张纸的1/3。

# Z/ J- r/ ^; O9 l拜耳集团是德国最大产业集团，世界500强企业之一。实验室制造多种高强度高分子材料，如超轻的碳纤维纳米管材。拜耳材料实验室为太阳能飞机供应了制造驾驶舱、动力舱的聚氨酯绝缘泡沫材料。这种材料其隔热绝缘性能优异，在日常生活中应用于生产高级冰箱。
　　另外为阳光动力号项目提供先进技术、材料支持的还有Decision SA，为飞机提供支撑机翼防止变形的高强度碳纤维材料。
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6 @- f3 W7 {1 ]+ [ N# t; R2009年，伯特兰·皮卡德和安德烈·博尔施伯格与专家团队一起，开始应用达索系统的3DEXPERIENCE平台对阳光动力2号进行创新性研发和设计。除了借助3DEXPERIENCE应用飞机设计之外，阳光动力号工程师还能用对不同配置的设计进行数字化测试。3DEXPERIENCE平台除了帮助阳光动力号设计工程师确定飞机的最佳重量、尺寸配置、最佳驾驶舱设计，还可以在制造飞机之前避免装配干涉的问题。
阳光动力号设计团队负责人Jonas Schar说：“我们从单一部件的设计着手，在制造之前用3DEXPERIENCE平台的装配功能完成各部件的装配工作。借助CATIA，我们提前发现设计中的问题，及时调整避免返工，所以一次性就设计成功了。”工程师还使用3DEXPERIENCE平台的复合材料和制造功能，包括定义并优化机体碳纤维结构板层、加工机械工具以用于生产众多机身内部碳制部件。
0 w0 M q- q5 z& A! {% m2 M除此之外，3DEXPERIENCE平台还为阳光动力2号提供了完整而精确的可视化飞机画面。Schar说道：“3DEXPERIENCE平台能让我们从设计到制造车间对飞机进行全方位的追踪和控制，确保3D模型和设计中显示的每一个螺栓、板块和垫圈与实体飞机完全一致。这种跟踪能力也是认证过程的重要组成部分。如果监管机构要求我们提供相关信息，我们就可以证明所设计的内容实际上已构建完成，3D模型就是我们的证据。所有设计和制造数据都可以在系统内进行跟踪，可轻松访问并提交给检查人员。”
|+ l6 X; K# E& LSchar说：“我们采用3DEXPERIENCE的应用对驾驶舱进行优化布局和人机工程设计，并且对飞行员在驾驶舱内进行长时间保持坐姿、移动、简单运动、吃饭和睡觉等训练，以帮助我们能够做出必要的调整，从而让安德烈和伯特兰尽可能安全和舒适。”数字仿真帮助我们设计出适用于这种长途飞行的正确翼展长度/飞机重量比。”
% Q0 f: X. U; r9 ^; F：“启动该项目时，我们就询问过飞机制造商他们是否能够制造出这种飞机，他们只是说‘不，这是不可能的’。因此，我们不得不在航空领域外寻找新的技术和解决方案，然后将这些新技术新应用首次集成在这架飞机上。我们必须从零开始设计一架革命性的太阳能飞机。没有3DEXPERIENCE，这一切根本就不可能实现。”
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) w) q0 ~/ n3 L3 u& q8 r2 T& Z5 r到目前为止Solar Impulse 2所有行程:
6 R* Z9 w" M6 W+ Q* I; h9 n2015年3月9日: 第一站阿布扎比 (UAE) - Al Bateen Executive Airport / Muscat (Oman) - Muscat International Airport
+ H# L+ d, ~9 ]3 @ B/ R2015年3月10日: 第二站阿曼(Oman) - Muscat International Airport / Ahmedabad (India) - Sardar Vallabhbhai Patel International Airport
2 ^% P4 g/ ]: Y# m2 o4 k% C2015年3月18日: 第三站印度艾哈迈达巴德- Sardar Vallabhbhai Patel International Airport / Varanasi (India) – Varanasi International Airport
6 Z6 \# J. {( _1 I2015年3月19日: 第四站印度瓦拉那西– Varanasi International / Mandalay (Myanmar) - Mandalay International Airport
, B, v1 R8 X3 T3 d2015年3月29日: 第五站缅甸曼德勒 - Mandalay International Airport / Chongqing (China) - Chongqing Jiangbei International Airport
2015年4月21日: 第六站重庆到南京 - Chongqing Jiangbei International Airport / Nanjing (China) - Nanjing Lukou International Airport
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