太阳能飞机关键技术及发展情况分析

2018-05-16张利国张健

机械工程师 2018年4期

张利国，张健

（沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳 110136）

0 引言

近年来，环境问题越来越成为社会议论的热点。雾霾天气肆虐，各种极端天气出现频率的增加使得世界各国政府越发重视环境保护及新能源产业的研究。航空业是能源消耗大户，尾气排放量巨大。其中二氧化碳排放量占世界总排放量的近2%，甚至高于大多数国家全国的排放量。而且随着航空业的不断发展其二氧化碳排放量还会显著增长。除此之外飞机还会释放氮氧化物、硫氧化物、黑碳以及能形成温室云的水蒸汽。因此太阳能飞机作为一种新型的绿色无污染飞机也越来越受到各国科研人员的重视。

1 太阳能飞机的发展情况

从第一架太阳能飞机首飞成功到现在，人类对于太阳能飞机的研制已经近半个世纪的时间，各个国家相继研制出多个系列的太阳能飞机，其中有美国的NASA系列、英国西风系列、中国的绿色先锋号、彩虹T等太阳能无人机及瑞士阳光动力系列载人太阳能飞机。

“日出1”号是由美国研制的世界上首款太阳能飞机，全机共装有4096块单晶硅太阳能电池板，提供功率450 W，总重12.26 kg[1]。后改型为“日出 2”号，减轻结构质量的同时，增加了搭载的太阳能电池板数量，以提高飞机的续航能力。

飞机设计制造技术进步的同时，太阳能飞机的相关行业技术也在发生着巨大的变化，太阳能电池由最初的转化率较低的单晶硅电池，慢慢研发出了转化率更高的多晶硅电池，柔性更好的薄膜太阳能电池。储能装置的能量密度也有了长足的进步。这些技术进步反哺于太阳能飞机的技术革新，让太阳能飞机飞得更高更远。

太阳神（Helios）太阳能无人飞机是美国研制的最新机型，造价达1500万美元，翼展75.3 m，太阳能电池可以产生40 kW功率，配备14台两叶宽弦层流定矩高空螺旋桨翼的无刷直流电动机[2]。每个电动机功率为1.5 kW，设计航时达3个月，如图1所示。

英国奎奈蒂克（Qineti Q）公司研制，英国国防部提供资金支持的西风（Zephyr）系列太阳能无人机，现在已经研制到第7代。西风7号太阳能无人机可连续飞行250 h。西风7号周身采用超轻量级的碳纤维，全机净重53 kg，最大载质量达5 kg，续航速度56 km/h，最大升限21 km。为减轻质量，没有设计起降装置，应用徒手抛投的方式起飞。西风7号的翼展长度约18 m，机翼由高强度碳纤维制成非常薄。经过试验机测试，该机型可以在40℃至零下80℃温度下正常运行，并具有一定的抗风能力。该项目现被空客公司收购，西风8号正在研制过程中，据悉新机型将会有更大的翼展和载重能力，并大幅优化现有的电力推进系统，如图2所示。

图1 太阳神号太阳能无人机

图2 西风号太阳能无人机

与国外相比，我国太阳能飞机的研究起步较晚。1992年由北京航空航天大学李晓阳博士和赵庸教授设计制造了中国第一架太阳能飞机“翱翔者”号[3]，该机使用的材料主要是轻木、凯夫拉纤维和碳纤维复合材料。受限于当时的技术水平，翱翔号的载重能力极小，滞空时间也较短。

随着中国综合国力及科技水平的提升，近几年中国太阳能飞机技术突飞猛进，多个自主研发的太阳能飞机研制成功，如中国航天十一院设计制造的彩虹T号（如图3）。该机型采用双机身大展弦比的气动布局，翼展达40多m，滞空时间约20 h，飞行升限20 000 m，在2015年完成首飞。此机型是除美国NASA系列太阳能无人机之外世界上最大的太阳能无人机。

2016年西北工业大学设计试制了一架太阳能WIFI无人机。飞机采用全翼布局，并大量使用碳纤维材料,以减轻飞机质量，减少电能消耗，延长飞行时间。该飞机翼展7 m，总重15 kg。使用CIGS薄膜太阳能电池技术，CIGS薄膜覆盖于机身上表面，将太阳能转化为电能以满足飞机在空中飞行所需能量。该飞机夏天能够滞空23 h，冬天能够滞空13 h。另一款由中国自主研发的太阳能无人机“墨子号”也于2016年年底在福建完成首飞。

瑞士研制的“阳光动力”系列载人太阳能飞机，能源完全采集于太阳能，可以完成单次多天的连续飞行，如图4所示。整架飞机由碳纤维制成，翼展宽达72 m，比波音747-8还宽[4]，质量却仅为2300 kg，其中锂聚合物电池质量为663 kg。飞机上安装太阳能电池板大概有17 000片，给4台17.5 hp的电动机提供能源。太阳能电池板会在白天为动力装置和储能装置供电。夜间由储能装置为动力装置供电，保持飞机低速飞行，使飞机实现多日连续飞行。

2015年3月9日，阳光动力2号太阳能飞机从阿联酋首都阿布扎比起程，开始环球飞行，4月21日阳光动力2号，从重庆飞抵南京[5]。并且在2016年7月26日到达阿联酋首都阿布扎比机场，实现了人类驾驶太阳能飞机首次环球航行的壮举。

图3 彩虹T系列太阳能无人机

图4 阳光动力2号

2 太阳能飞机发展的关键技术

在节能减排大背景的今天，太阳能飞机将绿色无污染概念引入到了航空产业，为航空业发展开拓了新的发展方向，但太阳能飞机的研发仍处于初级阶段，动力、能源等技术的发展水平是制约太阳能飞机发展的关键，要进一步发展太阳能飞机，就必须攻克这些相关技术。

太阳能飞机最为关键的技术在于能源系统的搭建和管理。太阳能电池板可以分成晶硅类太阳能电池及薄膜型太阳能电池。前者又分为单晶硅和多晶硅太阳能电池。现有的太阳能飞机绝大多数选取晶硅类太阳能电池，随着太阳能电池技术的发展，太阳能电池的表面积不断加大、厚度不断变薄，电池板之间焊接所造成的碎片率也随之升高。太阳能飞机需要安装大量的太阳能电池，一架“阳光动力号”就需要上万片。因此安全高效的焊接技术也是太阳能飞机生产制造过程中的关键技术。包括导电胶技术、激光焊接技术、超声波焊接在内的新型无接触焊接技术被引入到太阳能飞机的制造工艺中。

导电胶是一种胶粘剂，这种胶粘剂具有流动性，在固化或干燥后具有一定导电性能[6]。导电胶由基体树脂和导电粒子组成。融合了基体树脂的导电粒子将焊件黏合，并且具有导电性。

激光焊接技术是以激光束为能量源，使用光学装置把激光束在极小的区域内集中，使焊件在焊处形成一个热源区，从而在焊件之间得到牢固的焊点和焊缝[7]。这种焊接方法具有能量密度高、焊接区域平整度高的特点。激光焊接主要包括两种方式：脉冲激光焊和连续激光焊。脉冲激光焊通常用于焊接薄材料单点固定的工况，连续激光焊通常用于切割或者大厚焊件的焊接。脉冲激光焊接技术非常符合太阳能飞机电池板焊接的工况。具有无需接触、能量密度大、焊缝质量好的特点。德国已经研发出一种非接触激光焊接方法，可以用来连接硅太阳能电池板。激光束射到已经涂有焊料的太阳能电池上，应用红外向成像技术监测电池板和金属条的温度，并根据温度是否在合理范围内，将信息反馈给激光输出装置，调节输出能量大小，从而保证连接点的质量。

超声波金属焊接是在对焊件施加压力的同时，在金属表面使用高频振动波，让相接处表面产生高频摩擦从而让接触表面的分子发生熔合[8]。这种焊接技术具有效率高、能耗低、焊接强度好、导电性能优异且热应力较少的优点，是目前太阳能电池经常使用的一种焊接技术。

另外太阳能飞机动力系统及气动外形设计相关技术也是太阳能飞机进一步突破的关键。太阳能飞机的气动布局选择相对比较单一，大多机型选取常规式气动布局或是翼式气动布局。在机翼的设计方面大机翼面积和大展弦比几乎成了太阳能飞机的标配。而无论是气动布局还是机翼的设计都是为了提高气动效率并增大太阳能的收集效率。同时太阳能飞机还具有飞行高度高、飞行速度低的飞行特点，具有典型的低雷诺数特征。现在，太阳能飞机低雷诺数研究还相对较少。研究主要集中在气动布局、机翼结构等方面。

大展弦比、结构密度低的特点，使太阳能飞机机翼的弹性变形明显。以美国的“太阳神”太阳能飞机为例，机翼的展弦比达到了30.4。结构密度为3.2 kg/m2，远低于常规动力长航时飞机的结构密度；美国的“探路者”太阳能飞机机翼上翘量达到半展长的12%，飞机机翼上反角最大近50°[9]。如此大的弹性形变将会改变太阳能飞机原有的气动外形，让线弹性假设基础下的气动弹性与飞行力学特性算法不再适用；结构静力学、动力学分析时的线性有限元分析计算技术也将出现很大误差；弹性形变过大还会改变飞机包括重心、受力等方面的情况。而且太阳能飞机运动模态频率与机翼的机构振动频率很接近，可能存在动力学耦合的问题。美国的“太阳神”太阳能无人机曾在试飞时由于出现俯仰振荡发散问题而坠毁[10]，这一事件提醒我们在太阳能气动技术研究中应该更多地关注适用于太阳能飞机特点的飞行力学分析方法和非线性气动弹性技术上的研究。

太阳能飞机主流选用的单晶硅太阳能电池易碎，通常铺设方式包括裸片嵌入式及封装后贴敷式两种。封装后的太阳能电池力学性能显著提高，但太阳能飞机的质量也显著增加；裸片嵌入式把太阳能电池埋在透光的蒙皮下，有效地保护了电池板。但透光蒙皮会引起光能的消耗，同时升高了太阳能电池周围环境的温度，造成太阳能转化率明显降低。不过新型的太阳能电池技术在逐渐解决单晶硅电池板带来的问题。柔性多晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池技术越发成熟，降低太阳能电池成本的同时，柔性和厚度方面性能也得到了很大的提高。正逐步应用到各型号太阳能飞机的研发中。

与常规动力飞机相比，太阳能飞机机翼尺寸大，结构密度低，对结构质量要求更为苛刻。翼肋和梁的质量占了飞机结构质量的绝大多数，有效地降低翼肋和梁的质量对于降低太阳能飞机的结构质量意义重大。超轻翼肋和主梁技术就成了太阳能飞机研究的又一关键技术。现有的太阳能飞机大多选择薄壁单梁式结构的机翼结构设计，飞机的弯曲载荷主要由主梁来承受，主梁通常采用管型梁或是口字型；蒙皮通常采用超薄成型的玻璃纤维材料，且没有抗弯设计；机翼上气动力由翼肋将传递给主梁。通常太阳能飞机翼肋大部分镂空[10]，并选择桁架结构来尽量减轻结构质量。例如“太阳神”和“阳光动力1号”太阳能飞机选用的就是桁架式翼肋结构,如图5、图6所示。

图5 “太阳神”太阳能飞机翼肋

图6 “阳光动力1号”太阳能飞机翼

除此之外还可以选择将已有的仿生学结构、点阵机构及格栅结构形式应用到太阳能飞机的机翼结构中，以达到超轻翼肋的目的，如图7、图8所示。

太阳能飞机的动力系统大多选择稀土永磁直流电动机与分布式动力分配结合的方式。这样的搭配结构简单，有利于养护工作。在提高太阳能飞机的续航能力方面，太阳能动力智能优化起到重要作用。太阳能飞机可以通过白天光照强度充足时爬升到一定高度然后巡航飞行，到了夜间或光照强度不足时，通过下降一定高度，把重力势能转化成动能的方式来延长飞机的续航时间。

3 太阳能飞机主要技术特点

太阳能飞机综合了航空技术、新能源技术、电能管理等多个领域的最新研究成果，具有明显的技术特点。主要在机体平台、能源系统、推进系统三个方面来分析太阳能飞机的技术特点。

1）机体平台。太阳能飞机一般尺寸较大，翼载小，飞机的结构质量相对较低。气动布局上常采用大展弦比常规布局或是飞翼布局[11]，中国的绿色先锋号太阳能飞机创造性地提出了复合机翼布局。这些设计形式有个共同的目的，就是尽可能地增大机翼面积，使得飞机可以铺设更多的太阳能电池板，从而让太阳能飞机可以获得更多的能量以延长其滞空时间。制造材料方面，包括碳纤维复合材料、聚氨酯／碳纤维复合材料、高性能透明聚碳酸酯薄片、凯夫拉纤维复合材料、碳纤维蜂窝夹层材料等大量的先进材料应用于太阳能飞机制造中。这些新型材料在大幅减轻了太阳能飞机的机体质量的同时，给予太阳能飞机在高空昼夜巨大温差环境中正常工作的能力。

2）能源系统。太阳能飞机能源系统主要由太阳能电池、最大功率点跟踪太阳能控制器以及储能装置三部分组成[12]。现有太阳能飞机多数选用技术成熟的单晶硅太阳能电池板。但最新研制的太阳能飞机西风7号和wifi太阳能无人机不约而同地选用了技术较新颖的薄膜型太阳能电池。薄膜型太阳能电池相比于传统的单晶硅、多晶硅太阳能电池具有原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产等优势[13]。同时薄膜型太阳能电池还具有良好的柔性，如果应用于太阳能飞机，可以给太阳能飞机的气动外形设计、机翼翼型选择以更大的设计空间，从而大幅提高太阳能飞机的续航能力。由于不同的制造商的制造工艺不尽相同，薄膜型电池组效率也略有不同，一般在10%～15%范围内[14]。小样品的薄膜型太阳能电池的转化率最高已经能达到21.7%，这已经超过了大多数单晶硅太阳能电池的转化率。晶硅类太阳能电池具有原材料短缺、生产工艺复杂、实际应用中衰减率高、生产成本过高等缺点。而且晶硅类太阳能电池存在理论上的极限转化率29%，这些情况也使得世界各国越来越关注薄膜型太阳能电池的技术研发，预计未来10年薄膜型太阳能电池市场占有率将达到20%～30%。薄膜型太阳能电池在太阳能飞机上的应用也会更加普遍。最大功率点跟踪太阳能控制器又称MPPT控制器，可以通过对太阳能板电压电流值的实施跟踪与分析，使系统能够在最大输出功率情况下对储能装置充电[15]。在能源系统中起到对太阳能电池板、储能装置和负载三方工作的协调作用。储能装置技术方面，大部分太阳能电池都是采用锂离子电池，这种电池主要具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、充电速度快的特点。在一些最新型的太阳能飞机上尝试性地使用了处于研发阶段的硫锂电池技术。

图7 仿竹结构

图8 格栅结构

3）推进系统。太阳能飞机推进系统主要包括电动机、减速器、螺旋桨等部件。现有太阳能飞机大多使用高效低故障率的永磁直流无刷电动机，并配以巡航效率高、可动部件少的定距螺旋桨[16]。国内外关于太阳能飞机螺旋桨技术的研究还比较少。现有的风洞实验测试技术还不够成熟，还不能准确测试出高空、低转速螺旋桨的性能参数。

而另一方面体形较大的太阳能飞机为了增加飞机的拉力，常选择多组电动机分布在两侧机翼。例如美国的百人队队长号太阳能飞机配置了14台电动机[17]；而体形较小的太阳能飞机则选择1～2台电动机提供动力。如英国的西风7号太阳能飞机配置了2台电动机提供动力[17]。

4 太阳能飞机的发展趋势

2016年阳光动力2号成功完成太阳能飞机首次环球飞行。太阳能飞机又一次抓住了世界的眼球，太阳能飞机由无人飞行器向载人飞行器迈出了坚实的一步。一款不用花费一分油费、电费的飞机谁会拒绝呢？未来太阳能飞机相关技术会越来越成熟，太阳能飞机的载重能力也将会随之提升。货运太阳能飞机也会在不久的将来应运而生，既能提高货运运输速度，又能降低运输成本。

太阳能飞机的一般飞行高度在10 000 m以上的平流层[18]，这是为了避开对流层因对流活动而产生的气流，提高飞行稳定性。同时在这一区间几乎没有遮挡太阳能飞机采集太阳能的障碍物，也有利于延长太阳能飞机的续航时间。2011年由美国研制的“太阳神”太阳能无人机还创造了非火箭推进驱动飞行器的飞行高度记录：30 500 m。因为太阳能飞行高度高、续航时间长的特点，所以太阳能飞机还具有代替卫星成为高空通讯基站的潜质。相比于通信卫星而言高空长航时太阳能飞机具有以下几个优点：1）发射条件要求低；2）飞行器的制造成本要比卫星低得多；3）太阳能飞机可回收并反复利用，维修养护便利；4）所需能源完全来自于太阳能转化的电能，绿色环保无污染；5）控制灵活，反应迅速，可根据不同的突发情况，快速抵达特定区域，并长时间进行重点监控。

另一方面太阳能飞机技术与现有电动飞机技术的结合也是太阳能飞机发展的一个趋势。电动飞机技术从1957年开始至今，已经研制出几十款电动飞机。例如，辽宁通用航空研究院设计和研制的世界上第一款双座电动力轻型运动飞机锐翔（RX-1E）[19]，锐翔电动飞机已于2015年11月取得生产许可证（PC）并开始批生产。如果将太阳能系统应用到已有电动飞机中，作为现有飞机能源系统的补充，电动飞机的续航能力也将会有一定的提升。

太阳能飞机现有的载重能力低、造价高昂、故障率较高等也是无法回避的事实。太阳能飞机在高效的气动布局技术研究，太阳能电池与飞机机体高强度轻量化的技术研究，高效智能的太阳能电源管理和监控系统的设计技术研究，太阳能飞机高能量密度电池或超级电容技术研究等都是未来太阳能飞机进一步发展优化要攻克的技术难题[20]。