太陽能飛機:介紹,發展歷史,型號舉例,挑戰者號,太陽神號,天空使者,空中靈雲,脈動

太陽能飛機以太陽輻射作為推進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。

由於太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機上應有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設太陽電池，因此太陽能飛機的機翼面積較大。經典的機型有：“太陽神”號、“天空使者”號、“西風”號、“太陽脈動”號。

基本介紹

中文名：太陽能飛機
外文名：solar-powered air plane
動力：太陽輻射
動力裝置組成：太陽能電池組、減速器、螺旋槳等
優點：無污染，使用靈活，成本低
經典機型：“太陽神”號、“天空使者”號

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介紹

1974年11月4日，世界上第一架太陽能飛機Sunrise I在4096塊太陽電池的驅動下緩緩地離開了地面，這次成功的飛行標誌著太陽能飛行時代的來臨。此後的二十幾年中，由於相關技術的落後，太陽能飛機發展緩慢。直到20世紀末，隨著太陽電池效率、二次電源能量密度的提高，以及微電子技術、新材料技術等的發展，太陽能飛機終於駛上了飛速發展的快車道。太陽能飛機以太陽能為能源，對環境無污染，使用靈活、成本低，有著廣闊的套用前景。在民用上可用於大氣研究、天氣預報、環境及災害監測、農作物遙測、交通管制、電信和電視服務、自然保護區監控、外星球探測等；在軍事上可用於邊境巡邏、偵察、通信中繼、電子對抗等任務。由於太陽能飛機具有眾多優勢，許多國家都在進行相關技術的研究。

發展歷史

70年代末，人力飛機的發展積累了製造低速、低翼載、重量輕的飛機的經驗。在這一基礎上，美國在80年代初研製出“太陽挑戰者”號單座太陽能飛機。飛機翼展14.3米，翼載荷為60帕(6公斤力/米2)，空重90公斤，機翼和水平尾翼上表面共有16128 片矽太陽電池。在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。這架飛機1981年7月成功地由巴黎飛到英國，平均時速54公里，航程290公里。太陽能飛機還處於試驗研究階段，它的有效載重和速度都很低。有人提出設計一種無人駕駛的高空、低速遙控太陽能飛機，白天飛行時利用取得的太陽輻射能儘量爬高（或貯能於蓄電池內），夜間利用高度作滑翔飛行（或由蓄電池取得能量）。這樣依靠取之不盡的太陽能，可維持長時期的飛行。這樣的飛機可首先用於氣象觀測和偵察任務。 2007年11月5日，在瑞士杜本多夫舉行的新聞發布會上，展出了“陽光脈動”太陽能飛機樣機。科研人員歷時4年製成了這架太陽能飛機。瑞士探險家貝特朗·皮卡爾2003年提出太陽能飛機環球飛行構想，計畫駕駛太陽能飛機，經過5次起降實現環球晝夜飛行。環球飛行預計在2011年開始，這將是太陽能飛機歷史上首次載人作晝夜、長距離飛行。

國際航空運輸協會希望能在2050年實現飛行器的碳排放量為零。陽光動力公司構想，在未來，著重解決光能吸收問題。因為只有大幅度提高電池功效，才可能使機上人數增加。40多年後，能承載300名乘客的全太陽能飛機有望正式投入運營。

Solar Impulse 2太陽能飛機從美國夏威夷起飛，開始了橫跨太平洋的旅途。經過了三天的飛行之後Solar Impulse 2已經於當地時間4月23日上午11點45分成功降落在加州舊金山山景城。

型號舉例

挑戰者號

美國在80年代初研製出“太陽挑戰者”號。飛機翼展14.3米，翼載荷為60帕(6公斤力/米)，飛機空重90公斤，機翼和水平尾翼上表面共有16128片矽太陽電池，在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。

1981年7月7日，第一架以太陽能為動力的飛機飛過英吉利海峽。這架210磅重的“太陽能挑戰者”號從巴黎西北部25英里以遠的科邁伊森-維克辛起飛，以平均每小時30英里的速度、1.1萬英尺的飛行高度，完成了全長165英里的旅行，最後在英國東南海岸的曼斯頓皇家空軍基地著陸。

保羅-麥克里迪是該動力裝置的設計者，他還曾建造第一架人力發動的飛機越過海峽。這架“太陽能挑戰者”號是由安裝在機翼的1.6萬個阻擋層太陽能光電池發動的，這些電池把光能轉變為電能以推動2.7馬力發動機。這架飛機試圖幾次飛過海峽都未成功，此次藉助極好的夏日陽光終於達到目的。飛機著陸時受到了30人的迎接。

百人隊長號

1998年11月10日，由瓦伊倫門特航空公司研製的太陽能無人機“百人隊長”號在愛德華茲空軍基地首飛成功，歷時1小時22分鐘。

該機的最大特點是翼展很長，為62.79米。它的機翼前緣安裝有14個由電機驅動的寬弦螺旋槳，據有關報導，11月10日試飛的這架太陽能無人機未安裝太陽能電池，機上安裝的是120伏90安/時的鋰、二氧化碳電池組，以後將換裝太陽能電池組。

“探險者”號實在環境偵查和偵測技術計畫之前，由美國瓦伊倫門特航空公司研發的。“探險者”的機翼由中央翼尖、左右內翼和左右外翼共5段組成。機翼平面幾何形狀為矩形，翼展為29.87米，弦長2.4米，展弦比12.3，機翼面積72.46平方米，機長3.66米，機高3.05米，飛機自重206.4公斤，最大升限為22860米（此數據為1995年的數據）。該機裝6台功率各為0.8千瓦的電動機，太陽能電池輸出總功率為6.5千瓦。

在1994年以前，“探險者”號雖然也在飛行，但因電池電量不夠，沒有達到預期的性能。為了解決這個問題，便採取了更換太陽能電池片的措施，將原來厚度為0.356毫米的太陽能電池片換成了由斯貝特拉波公司生產的厚度為0.109~0.152毫米的水晶矽太陽能電池片，並將電池貼片面積加大到原來的3倍從而達到了輸出功率6.5千瓦的指標。因這種新型太陽能電池片的厚度比原來的減少了一半以上，所以即使貼片面積增加到原來的三倍，重量增加的也很少。

在換裝了斯貝特拉波公司的水晶矽太陽能電池片後，“探險者”號的性能得到了很大提高。1995年9月11日，在美國的愛德華茲空軍基地的多拉伊頓開發中心“探險者”號進行了飛行高度試驗，並達到了15390米的高度。

“探險者”號的機翼最早使用的是木質大梁，後來在1995年10月21日的一次試飛中，因遇有大風有兩段機翼受到損壞，為此將原來的木質梁改為石墨/芳綸/環氧樹脂材料製造，這樣不僅大大提高了強度，還減輕了不少重量。

1996年11月19日，“探險者”號又進行了一次成功的試飛。它除了機翼大梁改用了新材料外，還改用了厚度為0.203毫米的水晶矽太陽能電池片。雖然厚度又增加了，但發電的能力卻提高了15%。由於這次飛行的成功，美國國家航空航天局又確定了新目標，打算在“探險者”號的基礎上進一步改進使其成為一種能在30000米高空飛行的新型機，即“百人隊長”號。

1997年6月9日，在夏威夷考愛島的美國海軍太平洋飛彈發射場，“探險者”號飛出了20528米的高度，這個高度不僅超過了該機自己的最高飛行高度，而且還超過了波音公司遙控無人機創造的20416米的世界飛行高度記錄。同年7月7日，在同一場地，雖然那天空中有雲，太陽能電池的發電能力比上一次下降了800瓦，但它仍然飛出了21802米的高度。

為研製“百人隊長”號無人機，美國國家航空航天局先設計製造了一架1/4的縮比模型，對其進行充分的論證。其樣機於1997年秋試飛成功，並於1998年正式開始了“百人隊長”號的研製工作。

研製工作是在“探險者”號基礎上進行的。主要改進是將機翼翼展加長了6.7米，總翼展為36.9米。中央翼採用了新的模型，並加大了翼型厚度，而內翼厚度不變，這樣以來，二者之間就出現了厚度差因此需要重新設計兩者連線處，同時機翼骨架結構也需要作相應改變。

另外，位於中央翼的太陽能電池片也換成了更好的高性能電池片，其效率為18.5%。其它部位的電池片仍採用原來的。在中央翼處，還增加了2台直流電動機馬達，並採用了新型螺旋槳。

經過上述幾項改進的“探險者”號被稱為“探險者+”號。該機於1998年6月17日在夏威夷島進行了首次試飛。這次它飛到15240米高度所需的時間比原來縮短了30分鐘，爬升率提高了25%~50%。同年8月6日，該機又飛到了24400米的高度。

該局下一步的計畫是用“探險者+”號繼續進行試驗。計畫在1999年，“探險者+”在15800米以上高空投放氣象觀測氣球。

根據計畫，在2000年，將把“探險者+”號的翼展再加長約70%，增加到62.79米，使其太陽能電池提供的能量使飛機達到在30000米高度以上的飛行能力。到時，該機將正式啟用“百人隊長”號的名稱。實際上增大翼展的工作已於1998年完成。

在2002年，將繼續增大“百人隊長”號的機翼面積，以進一步增加太陽能電池的能量，從而使飛機具有能在18300米以上高空滯留4天的飛行能力。

計畫最終把“百人隊長”號的機翼加長到了76.2米，使該機在2004年能具有在高空連續幾個月滯空飛行的能力。這樣它就可以圍繞地球連續飛行，可方便地對某一地區進行長期觀察。

按照這項計畫，該機的試飛地點將選在夏威夷或北極。如果按照太陽光線24小時的平均強度來比較的話，赤道為0.29，北極為0.4，可見選在北極試飛比選在夏威夷可以接受更多的太陽能。

“百人隊長”號的特點

“百人隊長”號太陽能無人機實際上是一架機翼翼展很長，下面安裝有起落架裝置的飛翼式無人機。由於機翼翼展太長，所以在機翼結構強度設計上要求很嚴格。設計機翼時儘可能減輕重量、提高強度和便於維修。若要增加重量，不能草率安排重量的部位應在翼展方向分散配置，不可集中一點或幾點，以減少主梁承受的彎曲力矩。而機翼要承受空氣動力的俯仰力矩也必須由整個機翼平均分擔，以儘可能降低扭轉載荷。

“百人隊長”號1/4縮比模型的飛行試驗表明，為防止在高速時上反角過大，必須把機翼兩端做成下彎的形狀。

機翼大梁呈管狀，分里外兩部分。裡面是由石墨/環氧複合材料製成的直徑為12.7~22.9厘米的圓管，在圓管外側包有一層芳綸複合材料的蜂窩結構，從而可增加大梁的剛度。

當初“探險者”號的翼肋是由雲杉材料製作的，每個翼肋重量僅80克，但很容易破損，後來改用石墨/芳綸/環氧複合材料片層結構，強度有了顯著的提高，重量增加到了160克。實驗結果表明，桁條翼肋結構有發生彎折的問題，為此又改用了石墨/環氧複合材料翼肋。這樣不僅解決了容易變彎的問題，重量也減到120克。

機翼外蒙皮由0.5毫米的透明塑膠薄膜覆蓋，機翼內有2根以芳綸為材料做成的張線，它們被分別連線到機翼的對角線上，呈十字狀。

“百人隊長”號機翼上使用的太陽能電池片是桑帕瓦公司製造的水晶矽太陽能電池片，其厚度是0.152毫米，效率為18.5%，這種電池片被貼在機翼15%翼弦後的機翼上表面，面積為114.3平方米，約占整個機翼面積的75%。，發電量大約為每小時29千瓦。該電池的價格是“探險者”號所用電池價格的2.5倍。

“百人隊長”號裝有14台輸出功率為1.47千瓦的直流電動機，驅動14台直徑為2.0米的螺旋槳，效率比“探險者”號提高了4%。螺旋槳形狀類似於船用螺旋槳，葉片的厚度與“探險者”號相同，但增加了弦長，是探險者號的兩倍多。

“百人隊長”號的整個機翼沿翼展分布有60個升降舵，可為該機提供俯仰操縱和穩定。

“百人隊長”號的最終設計目標是使該機能連續幾個月在19820米以上高度不停的飛行。因為要為夜間飛行提供能量，所以必須配置儲量大，重量輕的高效率電池，最好是採用重量比一般電池輕數倍，並能儲存很大能量的氫/氧燃料電池。當該機夜間在18300米高空飛行時，1小時需要提供10千瓦的能量，這樣整夜就需要120千瓦，根據當前的電池技術，即使最好的鋰聚合物電池，電池重量也要達到600~800公斤。若採用氫/氧燃料電池則僅有400公斤。

這種氫/氧燃料電池在夜間氫與氧通過透膜起化學反應，可產生水與電。在白天則可用電把水電解，生產氫氣和氧氣，壓縮儲存供再次使用。如將400公斤重的氫/氧燃料電池在進行細分的話，電池本身和電分解器是100公斤，氫與氧30公斤，氫泵150公斤，氧泵75公斤，其他附屬檔案45公斤。若把電池本身、電分解器以及它的附屬檔案總的重量降低35公斤，各氣體泵總的重量降至125公斤，其能量密度就可以達到600~800瓦/公斤。這項計畫正在實施，如果成功，“百人隊長”號將成為第一種在高度作業的飛機。

太陽神號

重量：590公斤

翼展：75米

速度：30-50公里/小時

最著名的太陽能飛機是AeroVironment公司為NASA的環境研究機和感測器技術計畫研製的“太陽神號”無人機。“太陽神”號耗資約1500萬美元，整架飛機僅重5 90公斤，比小型汽車還要輕。“太陽神”在外形方面的最大特點就是有兩個很寬的機翼，其機身長2.4米，而活動機翼全面伸展時卻達75米，連波音747飛機也望塵莫及。

“太陽神”號機身上裝有14個螺旋槳，動力來源於機翼上的太陽能電池板。在早晨陽光不是很強烈時，“太陽神”裝備的太陽能電池可以為飛機提供10千瓦的電能，使飛機能夠以每秒33米的速度爬高。中午時分，電池提供的電能達到40千瓦，飛機的動力性能達到最佳狀態，能以每小時30至50公里的巡航速度飛行。晚上，飛機則依靠儲存的電能進行巡航飛行。

2001年研究人員將“太陽神”號運往夏威夷，由地面兩名機師透過遙控設備“駕駛”；在10小時17分的飛行中，“太陽神”號達至22800米的目標高度。研究人員預計“太陽神”號最高可飛到30000米高空，超出噴氣式客機飛行高度3倍多。

不幸的是，2003年6月26日，“太陽神”在試飛時突然空中解體，墜入夏威夷考艾島附近海域。事後經調查，“太陽神”號在空中飛行36分鐘時突然遭遇強湍流，引起兩個翼端向上彎，致使整個機翼誘發嚴重的俯仰振盪，超出飛機結構的扭曲極限。

據美國媒體報導，美國太空總署資助研製的太陽能飛機“太陽神”號前日在夏威夷試飛，在10小時17分的飛行中達至22800米的目標高度。該飛機完全靠太陽能驅動，在技術成熟後，它將可能投入商業和軍事套用。

“我們實現了所有的預定目標。”負責此次飛行試驗的美國太空總署官員約翰·辛格斯高興地說：“飛機飛行狀況良好”。

“太陽神”號耗資約1500萬美元，用碳纖維合成物製造，部分起落架材料為越野腳踏車車輪，整架飛機僅重590公斤，較小型汽車還要輕；“太陽神”號的機身長2·4米，活動機翼全面伸展時達75米，連波音747飛機也望塵莫及。“太陽神”號由地面人員通過電腦遙控飛行，它的機身上裝有14個螺旋槳，動力來源於機翼上的太陽能電池板。

關於“太陽神”號的套用，美國太空總署的官員表示，它將用作高空衛星平台和低成本的電子通訊領域，還可以用來探測大氣溫度。此外，它也可以有商業和軍事用途。

“太陽神”號曾於1999年在加州試飛，但當時完全靠電池驅動，隨後研究人員將“太陽神”號運往陽光和風力更適宜飛行的夏威夷，裝上65000片太陽能板，由地面兩名機師透過遙控設備“駕駛”；太陽能板輸出的電力驅動小型發動機，令機上14個螺旋槳轉動。

研究員預計“太陽神”號最高可飛到三萬米高空，超出噴氣式客機飛行高度3倍多。

天空使者

重量：2.6公斤

翼展：3.18米

速度：30公里/小時天空使者號設計圖

“天空使者號”實際上是蘇黎世瑞士聯邦理工學院和歐洲宇航局合作設計的一款太陽能驅動火星研究飛行器。研究者相信隨著技術的進步，在10年至20年內“天空使者號”將能夠抵達火星內軌道。

“天空使者號”能夠在火星上空飛行，必須滿足以下火星飛行條件：低密度大氣層、微弱的太陽能、多變的風向和冰點以下溫度。為了滿足這些限制條件，科學家們論證得出飛機的最佳翼展約為3米。而電池重量約占了整個飛機重量2.6公斤的一半。

2005年初，科學家們建造和測試了首台原型機，通過手動發射，該原型機在地球上空持續飛行了5小時。原型機採用了包括西印度輕木慮芯和碳纖維在內的剛性輕質材料製作而成。飛行器配備了216塊矽太陽能電池，在理想太陽光條件下可以為飛機提供80瓦特以上的電力。

由於擁有小而輕質的結構，“天空使者號”可以裝載一些高技術設備。數字感測器可以測量高度和空速，這使飛機能夠在諸如海岸或者峽谷之類的目標上空飛行。攜帶的電荷耦合照相機(CCD)可拍攝地面圖像。當飛機自動駕駛出現故障時，科學家還可以通過一個地面控制站監控和給飛行中的飛機傳送指令。

空中靈雲

據羅通社（Agerpres）及羅馬尼亞宇航協會（ARCA）網站訊息，一架被命名為“空中靈雲”（Air Strato）的高性能無人機的原型機由羅宇航協會研發完成並進入測試階段。

在無人機家族中，“空中靈雲”屬於體型較大的，它具有16米的翼展，適合在18公里高空的平流層飛行。它由電動機驅動，內置電池可用7小時，太陽能電池可用3天。“空中靈雲”可載荷30公斤，如航空攝影和監視設備、科學儀器或執行其他任務需要的設備，包括備用的電池艙等。

第二架原型機已在製造中，比“空中靈雲”的機身小、飛行的高度略低、其飛行速度更快、有效載荷更大。第二架原型機將配備可伸縮的起落架及性能改善的航空電子設備。

羅宇航協會會長杜米特魯.波佩斯庫說:“我們的合作夥伴或客戶提出的很多任務是需要在平流層完成，到現在為止，我們一直使用既昂貴又費時的氦氣氣球升空，雖然能將更重載荷送到高海拔地區，但要依賴於無風的天氣條件及獲得空中安全區的條件。而“空中靈雲”可完成多項任務且費用低。它的出現將使整個航天活動更容易、活動內容可擴展、也將提升我們的航空能力”。

如果“空中靈雲”測試成功，羅宇航協會下一步將考慮無人機在羅馬尼亞的商業化，僅限用於私營部門。背景資料：羅馬尼亞宇航協會（Romanian Association for Cosmonautics and Aeronautics，ARCA）是非營利組織。成立於1999年。主要目標是太空探索研究。利用現有技術，以創新方式開發出有效益的空間飛行器。

脈動號

重量：約2噸

翼展：80米，超過空客A380的翼展

時速：70公里/小時

飛行高度：可達1萬至2萬米。

發動機：機翼上配備4部螺旋槳發動機

太陽能鋰電池：超薄型、可抵禦零下60℃低溫和80℃的高溫太陽能

板面積：240平方米，能儲存足夠的太陽能，讓飛機在黑夜中靠鋰電池驅動螺旋槳

載人環球行將飛經深圳

2007年～2008年前後，科學家將制出一架機翼翼展60米的“太陽脈動”號樣機，進行短距離夜間飛行。

2009年～2010年，製造出翼展為80米的樣機，實現長距離不間斷飛行，比如飛越大西洋和跨洲飛行。

2010年5月開始，“太陽脈動”號將進行有著陸環球試飛，從歐洲出發，在波斯灣著陸，又從好望角到中國南部的深圳，再飛越太平洋到加州，最後經紐約和巴黎回國。途中在每個大陸著陸一次，每個航段持續4~5天，這是飛行員能夠承受的極限。

當電池效率達到足夠水平，使重量得以進一步減輕時，“太陽脈動”號將改裝成可載兩人，在北半球最終完成不著陸、無燃料環球飛行，平均速度每小時80公里。

飛行自古以來都是人類的夢想，而各種各樣的飛行器就是實現人類夢想的翅膀。

瑞士探險家計畫在2011年挑戰太陽能飛機環球載人飛行的構想，並於5月22日正式展開了網上模擬試驗。航空技術的發展，已經使人們驚覺：利用取之不竭的陽光實現永久飛行，正跳出科幻的意味，變得越來越真實可及，正如英國皇家航空俱樂部的巴里·羅爾夫所說：“誰知道將來還有什麼會成為可能呢？”

瑞士科研人員開始對太陽能飛機環球飛行計畫展開網上實景模擬試驗，為一年後開始的首架樣機試飛和最終環球載人飛行作準備。第一架樣機目前正在瑞士製造和組裝，環球飛行預計在2011年上演，一旦實現，這將是太陽能飛機歷史上首次載人作晝夜、長距離飛行。

整夜航行

早在2003年，瑞士探險家貝特朗·皮卡爾就提出了太陽能飛機環球飛行構想，計畫駕駛太陽能飛機，經過5次起降實現環球晝夜飛行，這一計畫被命名為“太陽脈動”，最終的目標是用太陽能飛機實現永久飛行。

太陽能飛機驚人的續航力來自取之不竭的陽光。從理論上說，只要能追上地球自轉的速度，使自己永遠暴露在陽光照耀下，太陽能飛機就能永久飛下去，持續時間取決於部件的壽命極限。但實際上，飛機要跟上地球的腳步，需要以接近兩倍音速飛行，這隻有在已經退役的“協和”超音速客機上才能體驗到，因此現實的永久飛行之道還必須面對黑夜的挑戰。

“太陽脈動”計畫

“太陽脈動”計畫面臨的最大挑戰正是徹夜飛行，因為夜間無法採集陽光，飛機只能依靠電池白天儲蓄的有限能量。皮卡爾承認：“我們最大的問題是能否在白天儲存足夠的太陽能，保證夜晚飛行。”不過他認為，只要蓄電池的能量密度和重複充電能力、太陽能電池板的能量轉換效率以及電動機的經濟性達到足夠水平，太陽能飛機在空中數周數月地飛行下去，並不是一個遙不可及的目標。

皮卡爾的研究小組共有60名科研人員，研究機構設在瑞士，他們的研究得到了法國達索特航空和歐洲宇航局的大力支持，整個項目投資7000萬歐元。

由於世界上還沒有駕駛太陽能飛機嘗試晝夜連續飛行的先例，因此在實際飛行前，皮卡爾和他的研究小組要完成充分的數據模擬以保證飛行安全。22日的網上模擬將充分考慮“太陽脈動號”可能遇到的各種實際情況。飛機將在白天攀升到高空，在夜間降低飛行高度，以節省能源，但具體飛行高度需要模擬確定。此外，模擬還要考慮惡劣天氣，以及如何避開雲層、如何最大限度獲取陽光等問題。參與飛行計畫的氣象學家盧卡·特魯曼斯說：“我生來第一次希望天天都艷陽高照。”

駕駛艙

研究小組正在趕製“太陽脈動”的第一架樣機，他們所採用的超輕材料、太陽能電池、能量管理系統、駕駛員健康檢測系統等都代表著最新的技術水平。按照構想，“太陽脈動號”飛機將由碳纖維製成，外形就像一隻巨大的蚊子，表面覆蓋有240平方米的太陽能光電板，裝有一組400公斤的鋰電池，通過4台電動機驅動直徑數米的螺旋槳緩慢旋轉，能在10000米以上高度以70公里/小時的速度巡航飛行。

電池

太陽能光電板會將陽光轉化為電能，儲存到高技術超薄鋰電池，帶動機翼上4個電動螺旋槳發動機，為飛機提供動力。在這樣的飛行中，“太陽脈動號”從太陽得到的平均功率只與萊特兄弟1903年的飛機功率相當，這要求鋰電池每公斤的能量密度必須接近200瓦/小時。

超薄和柔性的太陽能鋰電池要承受變形、振動、-60℃~+80℃的溫度變化，還有強紫外線照射。製造寬達80米的超輕細長機翼也是前所未有的技術考驗，在12000米以上高空駕駛，駕駛艙還需要增壓、保溫和除濕。另外，為節省能源減輕重量，駕駛艙設計很小，只能容下一個飛行員。飛機的起飛將完全自動完成，白天它將逐漸升高，夜晚則緩慢滑翔下降，以節省寶貴的能量，飛機底部也將安裝太陽能光電板，接受反射的陽光。

“太陽脈動”是一個複雜的工程，科研人員決定分階段實施，進行充分試驗和準備，從而降低風險。在能源消耗方面，飛機一直是最昂貴的交通手段，溫室氣體排放占全球3%以上。而太陽能飛機堪稱最純淨的綠色飛行方式。皮卡爾預計，“太陽脈動號”太陽能飛機飛行計畫代價高昂，需要9400萬美元投資，沒有商業化前景，但科學家們更看重的是宣傳無污染飛行，皮卡爾希望這架飛機能引起人們對可持續發展技術更多的討論。

西風號

“西風”號在美國新墨西哥白沙飛彈靶場進行試飛

重量：33公斤

翼展：12.2米

速度：70米/秒

2006年8月，英國科學家研製的全球首架太陽能無人偵察機——“西風”(Zephyr)號試飛成功。該機採用全球定位系統導航，最大飛行高度可以達到40000米。它依靠太陽能電池提供動力，可持續飛行3個月之久，對目標實施長時間的高密度監控。預計未來兩年，它將被廣泛用於阿富汗和伊拉克戰場。

2003年到以後，研究人員已先後製造了四架樣機，它非常輕巧，總重量僅33千克。機翼由碳素纖維製成，寬12.2米，表面覆蓋著一塊塊太陽能電池面板，收集到的太陽能一方面驅動螺旋槳，一方面儲存到40節鋰電池中，供夜間使用。為防止機身表面溫度過高，“西風”號表面塗滿了一種特殊“太空油脂”。航空潤滑油也是特製的，能在極端氣溫條件下保護軸承。

“西風”號在美國新墨西哥白沙飛彈靶場進行試飛

雖然體積和重量“縮水”，可是“西風”號的功能卻大大增強了，它上面的照相機可以從18288米的高空，精確拍攝大小僅為25.4厘米的地面目標。同時，它還可以接收和傳播特種部隊士兵從遠方傳送來的無線電信號。

不過，由於“西風”號是為高空飛行設計的，機身脆弱，動力小，因此完全不能依靠自身動力起飛，尋找一種穩定可靠的發射方式，正是研製重點。2006年8月初，“西風”號模型機在美國新墨西哥州成功完成試飛，由於它的自身動力過於弱小，在試飛過程中，3名男子順著風沿著跑道一路狂奔，才總算將它“送”上藍天。

動力號

“陽光動力號”機翼承載200平方米的光伏電池面板，可在夜間飛行

製造國家：瑞士

製造公司：瑞士陽光動力公司

類型：單座太陽能飛機

平均時速：70公里

最大飛行高度：8500米

乘員：一名飛行員

空客的翅膀，汽車的重量，晝夜不間斷飛行！世界上第一架完全依靠太陽能、可實現晝夜不間斷飛行的瑞士HB-SIA "陽光動力號"太陽能飛機。“陽光動力”開發者坦言發展此項太陽能飛機項目意在進一步拓寬太陽能資源的使用範圍，打造“以太陽能為主的未來”。
　　從外表上看，HB-SIA "陽光動力號"太陽能飛機並無任何特殊之處。而實際上它卻凝聚了當今世界無數最新科技成果：機身由超輕碳纖維複合材料製成，翼展長達 63.4米，可比一架波音747-400。然而，擁有如此大翅膀的飛機，即使包括飛行員在內，其重量亦不超過1600公斤，僅相當於一輛普通家用汽車，只需兩個成年人便可將其骨架抬起。

HB-SIA "陽光動力號"機翼下方設有四個發動機艙，各配有一個10馬力發動機，一個鋰聚合物電池組和一個調節充放電及溫度的控制系統。此外，還設計了一層保溫層，旨在保護電池組發散的熱量，以確保他們能在8500米的高空、零下40度的惡劣環境下仍然可以繼續工作，每個發動機配有一台減速器，將直徑為3.5米的雙輪葉式螺旋推進器的轉速控制在200-400轉/分鐘，其中，太陽能電池達到了11628塊，機翼上配10748塊，橫向平衡器上配880塊，平均飛行速度理論上是70公里每小時，終極目標是實現無燃料消耗的晝夜飛行。

白天，“陽光動力號”上升到9000米的高空，以平均每小時70公里的速度進行飛行的同時，將多餘的太陽能電力儲存到高性能蓄電池中。到了晚上，重達400公斤的聚合鋰電池把白天的太陽能轉換成電能，可供飛機夜間持續飛行8小時。由於碳纖維複合材料具備耐熱性高的優點，飛行員可將白天飛行高度保持在8500到9000米之間，從而達到最佳的空氣動力學效率和太陽能利用率。到了晚上，飛行高度降至1500米左右，降少耗電量，待次日太陽升起之後，飛機才重新回到高空進行飽和飛行+飽和充電。

對於使用環境惡劣儲能成難題。為了提高安全係數，研發小組為飛行員提供了一整套高科技裝備。專用的智慧型馬甲具備防寒功能，能與導航設備相連。一旦飛機與預定航向偏離5度以上，馬甲便會發出強力脈衝以喚醒沉睡中的飛行員。因此後者可以隨時進入深度睡眠，而不必擔心安全問題。此外，電池組表面的保溫層可以阻止熱量散失，從而確保蓄電裝置在8500米高空、零下40攝氏度的惡劣環境中維持正常運行。

“陽光動力號”執行長安德烈·博爾施博格透露，當前飛機使用的光伏面板，轉換效率大約為20%，飛機必須飛到9000米的高空才能吸取足夠的光熱。如果進行環球飛行，當處於北半球夏天，日照時間更長，但由於太陽升降期間與地平線形成的角度偏低，光伏面板其實無法在整個白天都吸取到光熱。“有長達14個小時是需要使用電池飛行的，若電池有問題或儲能不足，飛機不排除自9000米高空墜毀的可能。”此外，飛機的設計時速遠低於噴氣飛機的時速；此外其座位也被戲稱為“經濟艙”，只能做45度角的調整。

因此，即使在2012年實現環球飛行，要真正令太陽能飛機商用化，也還是前路漫漫———“陽光動力”的翼展已經大得如同一架波音飛機，卻仍無法承載駕駛員以外的乘客。要么太陽能電池得到新的發展，使得動力得到增加；要么改造所有機場保證其起降。這或許才是飛機作為太陽能套用的終極挑戰。
　　這架HB-SIA "陽光動力號"由一批熱心環保事業的瑞士科學家、工程師和探險家共同傾力打造而成，耗資近7000萬歐元。設計者希望飛機徹底擺脫現有對石油燃料的依賴，僅憑無限的太陽光實行晝夜連續飛行。

駕駛這架"陽光動力號"太陽能動力飛機是一個極端困難和高風險的工作。因為在過去還沒有如此大翼展卻又如此輕的一架飛機能夠成功上天。“陽光動力”的專業團隊一直在日以繼夜的調整測試目標，以求把風險降到最低。

“太陽驅動”號從亞利桑那州鳳凰城空港國際機場起飛，在飛行了18小時21分鐘後，於23日凌晨1時零8分飛抵得州達拉斯-沃思堡國際機場，飛行路程達1541公里。

以前的太陽能飛機飛行紀錄是由“太陽驅動”號創下的，當時它從瑞士飛到西班牙，全程達1116公里。

機師博爾施伯格說：“這一階段行程特別具有挑戰性，因為降落時遇到相當強的風勢。以距離來說，這也是太陽能飛機的最長飛行路程。”

“太陽驅動”號在美國展開飛越美國大陸之旅，從鳳凰城飛到達拉斯是第二階段行程。第一階段行程是從加州舊金山飛到鳳凰城。

“太陽驅動”號翼展與波音747大型飛機相當，使用約1.2萬塊太陽能板，重量與普通四門小車相仿，平均飛行速度約每小時70公里，如果飛行員身體許可，可不間斷飛行26小時。在夜間飛行時，它會飛到8230米的高空，然後緩慢向下滑翔，過程中不需要用到任何能源，一直到太陽升起時，太陽能板才再度積蓄能量。

自2010年4月7日首飛成功後，“太陽驅動”號每年都有突破，2011年首次完成瑞士至比利時跨國飛行，2012年5月完成瑞士至摩洛哥跨洲飛行，2015年將進行環球飛行。

太陽驅動2號

全球最大太陽能飛機“太陽驅動2號”機翼上安裝有1.7萬塊超薄且高效能的太陽能電池板，翼展長達72米。

太陽能板在日間吸收能量，讓飛機在晚間也可飛行，飛行時間不再受燃油量限制。

“太陽驅動2號”於2015年3月環繞地球飛行，途經中國、印度等地。

2014年6月2日，目前全球最大的太陽能飛機“太陽驅動”2號在瑞士成功首飛。2015年3月，兩名探險家將駕駛“太陽驅動”2號從海灣地區出發，經阿拉伯海，進入印度、緬甸、中國，然後跨越太平洋前往美國，再飛往南歐和北非，最終回到起點。

陽光動力2號

2015年2月26日，阿聯首都阿布達比，全球最大的太陽能飛機“陽光動力2號”在阿聯首都阿布達比上空飛行，為將於2015年3月開始的環球飛行做準備。

2015年3月9日瑞士紀念幣發行公司發行全球最大太陽能飛機“陽光動力”2號首次環球飛行紀念幣。

全球最大太陽能動力飛機“陽光動力”2號在經過118小時不間斷飛行後，於當地時間2015年7月3日5時51分降落在美國夏威夷檀香山機場。

在從日本名古屋飛往夏威夷的接近5天時間中，陽光動力2號創造了3項世界紀錄：太陽能飛機最長時間不間斷飛行、最長時間單人駕駛飛行和最遠距離太陽能動力飛行。

發展關鍵要素

無疑，太陽能飛機所引發的低碳環保的理念，是人類社會的發展方向，也是人類追求的目標。但太陽能飛機的發展並不能一蹴而就，也受制於多項技術。能源、動力等技術是其發展的關鍵，只有當這些技術取得了突破，太陽能飛機才可能實現突破。

首先，太陽能飛機最關鍵的地方就是能量系統，“陽光動力2號”上使用的太陽能電池為單晶矽電池，由位於美國加州的SunPower公司提供，轉換效率為22.7%，厚度僅為135微米。單晶矽電池是當前太陽能發電最常見的一種形式，加工工藝和成本都已經趨於成熟，也廣泛用於航空航天領域，比如衛星上的太陽能電池板就是一個例子，不過其轉換效率更高一些，轉換率可達到30%。客觀看，單晶矽電池的總體水平依然沒有得到很大提升，轉換效率基本維持在15%～20% 之間，目前最高效的單晶矽電池可達到25%，當然這是實驗室內的標準，還沒有得到大規模推廣。從中可以看出，單晶矽電池偏低的效率是制約太陽能飛機發展的最大技術瓶頸。在利用太陽光能發電的能量單元中，除了單晶矽電池外還有多晶矽電池和CIGS薄膜電池，後兩者的轉換率都不高，大約在20% 左右，因此利用成熟的單晶矽電池是目前太陽能飛機發展普遍採取的技術。

其次，氣動設計與動力系統也很重要，同樣會制約著太陽能飛機的發展。可以說，太陽能飛機從1974年發展至今歷時40餘載，自第一架太陽能飛行器“日出1號”橫空出世後，這種機型的氣動就沒有發生太大的變化，基本上沿用了非常成熟的常規氣動，中規中矩的大展弦比機翼、細長的機身以及T型尾翼等都是太陽能飛機的明顯標誌。不過，美國國家航空航天局在1999年試飛了著名的“太陽神”號，其採取無尾翼氣動，翼展達到了75米，接近空客A-380的尺寸，從外觀上看就像是一塊會飛的機翼，14台永磁直流電動機安裝在機翼上，給世人留下了深刻的影響。太陽能飛機為了獲得足夠的升力除了需要在氣動上下功夫外，還需要對機身材料進行升級，大量的碳纖維複合材料被用於機身製造，其目的就是降低機身重量。以“陽光動力2號”為例，全機身83%以上的部位使用了超輕複合材料和薄板技術，由德國拜耳材料科技公司提供碳纖維復材，還有一些環氧樹脂用於提升機體強度，不僅達到了降低機身重量的目的，也能夠提高機翼的強度和耐紫外線能力。但飛機大而輕，受氣流的影響會很大，因此氣動效率和操穩特性也是一大難點，空氣阻力中的誘導阻力受到翼展影響，翼展越長誘導阻力越小。

此外，在動力系統上，太陽能飛機幾乎都使用了分散式動力分配與永磁直流電機。因為這樣的動力系統結構並不會太複雜，零部件數量也不多，有利於後勤保障。當然太陽能飛機的動力分配也是有講究的，白天飛行高度較高，如“陽光動力2號”的高度可達到8500米，晚上為了節約電能可把飛行高度壓低到1500米，更稠密的大氣也有利於提供更多的升力，平均飛行速度控制在50～60公里/小時。更重要的是，太陽能飛機要時刻關注飛行環境的變化，日均太陽輻射、平均氣溫等都會影響動力的輸出，這也是為什麼“陽光動力2 號”要選擇一條接近赤道的環球路線，這樣能夠獲得最大的光照。

由此可見，太陽能飛機的從設計到飛行，受到了多種因素的制約。如果要實現大規模的商業利用，還有很多工作要做。

技術特點

太陽能飛機作為航空技術與新能源技術相結合的產物，是人類技術能力進步的標誌，也是人類追求能源清潔化的產物。從太陽能飛機發展的現狀看，其技術特點是較為明顯的，主要體現在機體平台、能源系統和推進系統三個方面。

機體平台。為了彌補能源不足而保持飛行速度，太陽能飛機大多數還是採用了傳統的氣動布局，這些氣動布局作為機體平台，在技術上是較為成熟的，風險較小，當然也有部分飛機採取了一些新的氣動布局。為了提升飛機的氣動效率，大部分的太陽能飛機採取的是大展弦比機翼，特別是一些在高空中作長期停留的無人機，其展弦比均在30 左右。此外，為了降低機體質量，各種新型材料如碳纖維、凱芙拉等被廣泛使用。加之，當前太陽能電池的轉化率普遍不高，導致了其載荷不能太重，機身外形尺寸較小，特別是一些長期高空航行的太陽能飛機，大展弦比的機翼產生氣動彈性可能會影響到飛機的安全和穩定。能源系統。從當前設計且運行的太陽能飛機看，大部分的飛機採用的是轉化率較高的單晶矽太陽能電池，少部分採用了多晶矽電池。電池的儲能器大部分是鋰電池，少部分飛機為了夜間儲備能源，採用的是可再生燃料的儲能器。為了減輕全機的質量，能源系統是安裝在機體中樞，由於太陽能電池價格較貴，容易破碎，很難與機體的曲面進行很好的結合，這在一定程度上影響了太陽能飛機的性能。

推進系統。為了提高系統的可靠性程度，太陽能飛機採取的是分散式推進系統，通常是以直驅為主要形式，只有在小型的太陽能飛機上採取的減速驅動的螺旋槳系統。直驅電機效率較高，可動的部件較少，其套用範圍較為廣泛。但要保持長時間高空航行，多採用的螺旋槳系統，主要是為了保持機體的平衡與能量的節約。

從太陽能飛機的技術特點上看，太陽能飛機要想獲得技術突破與發展，必須要在技術特點上做出一定的改變。具體而言，第一，從機體平台看，未來的太陽能飛機必須要採取新的布局、材料、工藝來改進飛機的結構及氣動效率，從整體上降低飛機的重量，減少其機翼尺寸，提高飛機的安全性和穩定性。從套用前景看，小型的太陽能無人機應該是主導方向，微型的太陽能無人機也是一個發展方向。第二，從能源系統看，這是太陽能飛機發展受制最大的問題，未來的太陽能飛機必須採取更高效的太陽能電池及儲能器，同時保持太陽能電池與機體曲面的貼合，這不僅可以降低全機的重量，更能夠保證飛機的安全。第三，從推進系統看，新型的電機和高效的螺旋槳技術會得到廣泛的套用，以保證其推進系統的效率。

太陽能飛機