陽光動力2號環球飛行背后的技術

寂靜天花板

新型能源已經被我們賦予了太多的意義，太陽能飛機就是一個傳奇故事。Solar Impulse 2（陽光動力2號）代表了一種先鋒、探索，通往新世界大門的精神。在[size=1em]中國媒體的集體爭相報道之下，陽光動力2號的面紗被層層掀開：15億歐元的項目預算、兩位年過半百的傳奇飛行員、向年輕人倡導的創新精神、傳遞清潔能源理念、太陽能光伏電池與碳素纖維材料、以及太陽能飛機研發團隊和技術支持……

如果只能給陽光動力太陽能飛機貼上一個標簽，一定是“清潔能源”。在環境污染日趨嚴重的今天，航空業對大氣造成的污染已經越來越不容忽視。近年來，全球各大機場起降和通行的航班數量和密度都在明顯增加，以航空飛機為代表的航空器起降以及巡航給空氣帶來了嚴重的污染。有數據顯示，一架空客A380，起降一次耗費的燃油量將近2噸，相當于數千輛汽車的排放，以廣州白云機場起降近千架航班為例，其一天的排放量相當于幾十萬輛汽車。

倡導清潔能源，正是陽光動力太陽能飛機項目的初衷。陽光動力飛機項目于2003年由瑞士神經學醫生、探險家勃蘭特?皮卡德正式發起。項目包括單座型技術驗證機HB-SIA和雙座型HB-SIB兩架飛機。HB-SIA于 2007年完成最終設計，2010年7月7日開始進行了26小時的連續飛行,首次實現了晝夜太陽能循環飛行驗證。今年該機還將進行其他驗證飛行試驗。　　HB-SIB雙座型飛機用于實現創紀錄飛行，主要特點是使用了增壓座艙和更先進的航空電子設備。該機2011年開始制造，按照計劃2012年開始執行包 括橫跨美國大陸、大西洋和太平洋的多天飛行任務，2013年用20～25天時間分階段完成“零燃料”環球飛行。 經過十三年的探索和嘗試之后，陽光動力太陽能飛機已經可以實現零油耗的環球飛行，根據SOLAR IMPULSE團隊預計，40多年后，能承載300名乘客的全太陽能飛機有望正式投入運營。

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據了解，陽光動力2號的能量來源主要靠機翼上內置的17000塊太陽能電池板為電池充電。在它的計劃行程中，將要飛越10個國家并在13個地點停留，這其中包括從南京飛躍太平洋前往夏威夷以及美國本土。“陽光動力”飛機實現晝夜連續飛行的方式是，安裝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的高度，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。

7 \" R. C9 f% I6 s/ m' k在有關專業人士看來，太陽能光伏電池與碳素纖維材料不算頂尖的新技術，鋰離子電池才是陽光動力2號真正的核心技術。在正午時（典型低緯度地區），陸地表面每平方米可以獲得的太陽能光能大約為1千瓦。全天24小時平均分 攤，每平方米面積可以獲得的太陽能光能只有約260瓦。“陽光動力”號飛機太陽能電池面積200米2，太陽能-電動力推進系統的總效率12%，因此飛機電 機獲得的平均功率不足6千瓦——與萊特兄弟1903年進行人類歷史上首次動力飛行時能量大致相當。“陽光動力”飛機需從太陽能電池到螺旋槳進行全面優化以 充分利用這有限的能量，并實現不使用燃料的晝夜飛行。
; v) H7 y4 E/ m% B8 a4 |& ]　　“陽光動力”飛機的翼展與A340大型客機相當，而重量大約只是A340的1/200，因此飛機在設計和制造過程中遇到了前所未有的挑戰。將典型客機（A320和波音737）和戰斗機與太陽能飛機進行結構重量分解對比，這些常規飛機的結構和推進系統重量占全機最大起飛重量的 40%，而太陽能飛機這一數值卻高達85%。主要問題是在當前的技術水平條件下，太陽能-電動力系統的重量很大，遠遠超過常規的噴氣發動機以及活塞發動 機。在所能獲得的能源有限，太陽能-電動力系統重量無法有效降低的條件下，要完成飛機設計難度極大。
太陽能電池由11628塊柔性單晶硅電池組成，總面積200米2，總重量96千克。太陽能電池質地輕盈，且韌性好，可與機翼結構一起變形，但不承載。單塊電池規格125毫米×125毫米，厚度僅150微米，額定輸出電壓0.6伏（隨溫度和負載變化）。每333塊電池構成一個模塊，標準輸出電壓200 伏。每個模塊都由最大功率點跟蹤器（MPPT）控制，每個MPPT可以控制多達4個模塊，整個太陽能電池共有36個MPPT。
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: Y" f- Y1 t3 H　“陽光動力”飛機總重1600千克，其結構重量雖然限定在數百千克，但是仍要保證足夠的剛度以及飛行操縱特性等要求。
為保證低速性能和獲得足夠的太陽能電池安裝面積，機翼采用翼展超大的彈性結構設計。要滿足大撓度、“變體”結構，需進行復雜的多學科設計/分析方法，并 確保超大尺寸、大撓度結構特性與飛行控制系統協調一致，否則可能發生如“太陽神”無人駕駛太陽能飛機一樣的嚴重墜毀事故。機體選用一些新型重量輕、強度高的材料，包括碳纖維復合材料，以及泡沫、塑料蒙皮等特殊材料。

1 E6 |: p. j# U  E+ T　　飛機翼展長達63.4米，機翼結構的主體是61米的盒形梁（主翼盒）。盒形梁分成5段，包括中央段、左右兩側中間段和翼尖段，中央段長約20米，中間段和 翼尖段長約10米，中央段和中間段為等截面，翼尖段截面由內向外逐步減小。各段翼盒之間用4組接頭連接。翼盒四面分別由前、后墻和上、下壁板構成，內部翼 肋按大約0.5米間隔布置，共有約120根。翼肋外輪廓近似矩形（翼型剖面），前后各有一個近似矩形的大型減輕孔。翼肋為兩面碳纖維面板加中間蜂窩夾芯結 構。
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+ M# q& F: N! m  j+ P! J1 Q　　整個“陽光動力”飛機項目預算是9800萬美元，得到了德意志銀行、歐米茄公司、瑞士訊達集團、蘇威集團、歐洲航天局、達索系統和國際航空運輸協會等80家企業和科研機構的資金資助和技術支持，瑞士聯邦技術學院（I'EPFL）是項目指定的官方科學顧問，提供尖端實驗室用以研發超輕型復合材料、能源鏈、人機界面和太陽能電池。

8 G0 A0 w, B1 H& N: p, K  A歐米茄公司為“陽光動力”飛機提供了歐米茄儀表，可以保證飛行員控制飛機傾斜角精度在1度之內。歐米茄儀表的其他關鍵功能是為飛行員提供實際航向信息。由 于“陽光動力”飛機翼展超大，且重量極輕，因此對于空氣流動，特別是造成飛機側向漂移的側風非常敏感。通過控制面板上安裝的發光二極管（LED），飛行員 能夠知道精度1°以內的航向數據。飛行員胳膊上佩戴的蜂鳴振動報警裝置，可以在飛機出現不穩定狀況時提醒飛行員。另外歐米茄還與斯沃琪公司(Swatch)一起制造了著陸燈系統。
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ABB，總部位于瑞士，有100多年歷史，是全球領先的可再生能源、可持續交通和能源效率企業，目前在全球擁有員工14.5萬名。ABB派出工程師參與項目，優化飛機地面控制系統，強化飛機電池系統的充電電子設備，處理飛行過程中出現的緊急情況。

sunpower，美國加州光伏企業，成立于1985年，2005年在納斯達克上市。這家公司為陽光動力2號提供他們的第一代單晶硅薄膜太陽能電池。這種電池的太陽能轉化率達到23%左右，對電能的利用率超過90%。為了給飛機減重，“陽光動力2號”上的太陽能電池板每塊厚度只有135微米，相當于人類的一根發絲。

3 A4 u, A  o  E. Z0 y9 `9 a, r迅達集團，世界第二大電梯供應商，1874年創立于瑞士。派出工程師參與項目，范圍涵蓋從應用電子到先進結構的各個領域。供應陽光動力號飛機的電氣系統。
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索爾維，總部位于比利時布魯塞爾的跨國化工集團，1863年由化學家歐內斯特·索爾維創立，目前在布魯塞爾和巴黎的紐約泛歐證交所交易。索維爾研發了13種超輕材料和新技術，制造了6000多個部件，為“陽光動力2號”提供了太陽能電池板的UV聚酯防水薄膜、機身碳纖維蜂窩材料、鋰電池聚能材料、駕駛艙材料等。機身碳纖維蜂窩夾層材料每立方米僅重25克，密度是一張紙的1/3。

拜耳集團是德國最大產業集團，世界500強企業之一。實驗室制造多種高強度高分子材料，如超輕的碳纖維納米管材。拜耳材料實驗室為太陽能飛機供應了制造駕駛艙、動力艙的聚氨酯絕緣泡沫材料。這種材料其隔熱絕緣性能優異，在日常生活中應用于生產高級冰箱。
　　另外為陽光動力號項目提供先進技術、材料支持的還有Decision SA，為飛機提供支撐機翼防止變形的高強度碳纖維材料。
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2009年，伯特蘭·皮卡德和安德烈·博爾施伯格與專家團隊一起，開始應用達索系統的3DEXPERIENCE平臺對陽光動力2號進行創新性研發和設計。除了借助3DEXPERIENCE應用飛機設計之外，陽光動力號工程師還能用對不同配置的設計進行數字化測試。3DEXPERIENCE平臺除了幫助陽光動力號設計工程師確定飛機的最佳重量、尺寸配置、最佳駕駛艙設計，還可以在制造飛機之前避免裝配干涉的問題。
陽光動力號設計團隊負責人Jonas Schar說：“我們從單一部件的設計著手，在制造之前用3DEXPERIENCE平臺的裝配功能完成各部件的裝配工作。借助CATIA，我們提前發現設計中的問題，及時調整避免返工，所以一次性就設計成功了。”工程師還使用3DEXPERIENCE平臺的復合材料和制造功能，包括定義并優化機體碳纖維結構板層、加工機械工具以用于生產眾多機身內部碳制部件。
- |8 r( A* Z8 {- B1 D除此之外，3DEXPERIENCE平臺還為陽光動力2號提供了完整而精確的可視化飛機畫面。Schar說道：“3DEXPERIENCE平臺能讓我們從設計到制造車間對飛機進行全方位的追蹤和控制，確保3D模型和設計中顯示的每一個螺栓、板塊和墊圈與實體飛機完全一致。這種跟蹤能力也是認證過程的重要組成部分。如果監管機構要求我們提供相關信息，我們就可以證明所設計的內容實際上已構建完成，3D模型就是我們的證據。所有設計和制造數據都可以在系統內進行跟蹤，可輕松訪問并提交給檢查人員。”
7 K  u# R) y+ q) D3 ^* U, KSchar說：“我們采用3DEXPERIENCE的應用對駕駛艙進行優化布局和人機工程設計，并且對飛行員在駕駛艙內進行長時間保持坐姿、移動、簡單運動、吃飯和睡覺等訓練，以幫助我們能夠做出必要的調整，從而讓安德烈和伯特蘭盡可能安全和舒適。”數字仿真幫助我們設計出適用于這種長途飛行的正確翼展長度/飛機重量比。”
, W2 `+ O6 |+ s7 p8 _  C( f, X：“啟動該項目時，我們就詢問過飛機制造商他們是否能夠制造出這種飛機，他們只是說‘不，這是不可能的’。因此，我們不得不在航空領域外尋找新的技術和解決方案，然后將這些新技術新應用首次集成在這架飛機上。我們必須從零開始設計一架革命性的太陽能飛機。沒有3DEXPERIENCE，這一切根本就不可能實現。”
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; Q4 k7 Z% Q6 s- n0 x到目前為止Solar Impulse 2所有行程:
2015年3月9日: 第一站阿布扎比 (UAE) - Al Bateen Executive Airport / Muscat (Oman) - Muscat International Airport
2015年3月10日: 第二站阿曼(Oman) - Muscat International Airport / Ahmedabad (India) - Sardar Vallabhbhai Patel International Airport
2015年3月18日: 第三站印度艾哈邁達巴德- Sardar Vallabhbhai Patel International Airport  / Varanasi (India) – Varanasi International Airport
+ w7 F  c8 h$ s/ `5 v" g( Q$ Q2015年3月19日: 第四站印度瓦拉那西– Varanasi International / Mandalay (Myanmar) - Mandalay International Airport
" l0 J% j' `( o, `( u7 {7 ^2015年3月29日: 第五站緬甸曼德勒 - Mandalay International Airport / Chongqing (China) - Chongqing Jiangbei International Airport
2015年4月21日: 第六站重慶到南京 - Chongqing Jiangbei International Airport / Nanjing (China) - Nanjing Lukou International Airport
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