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承办单位: 四川大学     

基本信息

项目名称:
新型布局长航时载机--“夸父”飞翼布局太阳能飞机
小类:
机械与控制
简介:
“夸父”,作为飞翼布局太阳能飞机的初始设计,以超轻量柔性太阳能电池作为能源维持它长时间留空。高效的飞翼布局和高效率的太阳能电源管理设备是“夸父 ”的关键。白昼收集到的太阳能,部分用于动力推进和电子设备,另一部分则是储存并用于夜间飞行。在无动力滑翔状态,依靠上升气流,增加留空的时间。在动力飞行状态,改变航向或爬升高度。
详细介绍:
太阳能飞机是应用太阳能电池,将太阳能辐射直接转换为电能。太阳能电池无运动部件,可小型化,不需要持续消耗一次性能源,因此非常适于作为高空长航时飞机的能源。多个太阳能电池为一个组件,而多个组件可串成一排电池方阵,电池方阵再并联,就可获得可观的电力。 太阳能飞机采用飞翼布局的五大优势 1、飞翼式布局省去了常规的机身和尾翼,因此可大大减轻重量,降低形状阻力,由于绝大部分面积的机体都能产生升力,在同等推力的条件下,飞翼布局相最大起飞重量要比常规的大,能允许更大的载荷。 2、在巡航飞行中,由于飞翼布局的升阻比比常规布局要高,需求推力比常规的要低。反过来说在给定航程、载重量的条件下,飞翼布局要的推力少,功率损耗少。 3、飞翼简单的构造有利于结构强度的增加和结构重量的减小,减少大展弦比带来的种种隐患,降低了技术风险的同时,建造成本也更低。 4、飞翼布局主体是宽敞的机翼,除了机体内方便布置控制设备、电池和各种设备外,上下表面面积大,提供较大的太阳能电池的安装面积。 5、重量分配更优。可行的横向载重设计使载荷和飞机自身重量更均衡地分配在翼面上。消除了对过多的结构重量的需要。 同时为了降低全机重量,机翼将采用先进的复合材料制造,高效柔性薄膜太阳能电池作为其蒙皮。同时采用能量密度要达到200Wh/kg以上锂聚合物电池,并集成于机翼结构内部。高效的峰值功率追踪器时刻令太阳能电池发电功率最大化,并采用交替供能的能源系统进一步稳定能源。 1、柔性薄膜太阳电池可与机体曲面贴合,气动效率大大提高。 2、高能量密度的储能器和合理能源结构将大大降低全机重量,减低功耗。 3、峰值功率追踪器提高从太阳电池获得的功率。 4、交替供能控制系统的出现解决了太阳能电池供电不稳定的难题。 5、白昼收集到的太阳能,一部分用于动力推进和电子设备,另一部分则是储存并用于夜间飞行。在无动力滑翔状态,依靠捕捉上升气流,增加留空的时间。在动力飞行状态,依靠储存的能量改变航向或爬升高度。

作品图片

  • 新型布局长航时载机--“夸父”飞翼布局太阳能飞机
  • 新型布局长航时载机--“夸父”飞翼布局太阳能飞机

作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

从设计一架长航时飞机出发,创造出一架飞行时间更长,载重更大的太阳能飞机,使其适用于各种不同任务,并由此发展出一系列翼展不同,适应性广的载机平台。 由太阳能载机的各项需求,在设计中,将选用柔性薄膜太阳能电池作为能源,高效的飞翼布局和高效率的太阳能电源管理设备。 新布局:相较于采用常规布局的太阳能飞机,飞翼布局较高的结构效率和气动效率,在减少飞机的重量和尺寸的同时,能够提高其载荷能力。而且该布局更大范围的采光面积也同样有利于太阳能收集。 更高效的能源系统:高能量密度和高效率的储能器技术将大大降低全机重量,有利于节省能源,提供更加持久的续航时间,柔性的太阳能电池的选用在不破坏气动效率的前提下增加发电量。

科学性、先进性

采用柔性飞翼布局的“太阳神”由于其飞行中遭遇强湍流,引起两个翼端向上弯,超出飞机结构的扭曲极限而解体。而“绿色先锋”采用复合飞翼布局,一方面增加了其摄取阳光的表面积和结构强度,但是另一方面确增加了其结构的复杂性,飞行阻力和重量大增。 与他们相比较,“夸父”的布局优势是相当明显的。结构更简单,强度更高。 “夸父”没有首创地采用柔性薄膜电池和锂聚合物电池,但是,其选取当前最好最适用的电池,并采用提高效率的峰值功率追踪器。整个能源系统的设计更高效,能够提供更加持久的续航时间。

获奖情况及鉴定结果

暂无

作品所处阶段

实验室阶段

技术转让方式

成套设备引进和转让

作品可展示的形式

模型以及图片

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

适用性广: 移动通信中继,发生地震、洪灾或者森林火灾时,可以替代中断的通信,使受灾地区与外界保持联络; 天气研究和预报,在台风上空飞行,跟踪和检测暴风雨; 环境监控平台,石油、天然气管道、高压线巡视,农业、机场驱鸟,遥感测量; 空中指挥系统,在预定空域长时间盘旋侦查敌情,校炮或者为战机指引攻击目标。

同类课题研究水平概述

1974年11月4日,世界上第一架太阳能飞机Sunrise I在4096块太阳电池的驱动下缓缓地离开了地面,这次成功的飞行标志着太阳能飞行时代的来临。此后的二十几年中,由于相关技术的落后,太阳能飞机发展缓慢。直到20世纪末,随着太阳电池效率、二次电源能量密度的提高,以及微电子技术、新材料技术等的发展,太阳能飞机终于驶上了飞速发展的快车道。 1.Sunbeam I,“百人队长”(Centurion),“太阳神”(Helios),SoLong ,西风(Zephyr)(美国) 2.“墨卡托”(Mecrator)(英国) 3.“太阳能平台”(Heliplat)(意大利) 4.“阳光动力”(Solar Impulse),“天空使者”Sky-sailor(瑞士) 5.“绿色先锋”(中国) 篇幅有限,不一一概述,主要特点如下: 机体平台,大多采用成熟的常规气动布局,部分采用新型布局,如,柔性飞翼、复合飞翼布局。 能源系统,目前多数采用的为转化效率15%~20%的单晶硅太阳电池,部分采用了多晶硅太阳电池。储能器多为能量密度150Wh/kg左右的锂电池,部分太阳能飞机采用了爬高方式储能或能量密度450~600Wh/kg的可再生燃料电池储能。 推进系统。多采用分布式推进系统,并以直驱方式为主,只在小型太阳能飞机上采用减速驱动方式以提高螺旋桨效率。
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