我在本科毕设的时候还真研究过这个问题,题目就是关于当时(2015年)世界上最大的超长航时太阳能飞行器——SolarImpulse2的一些研究,因此对这架飞机比较了解,简单介绍一下吧!搜狗问问阳光动力号(英语:SolarImpulse,又称太阳动力号),是瑞士的太阳能飞机试验机计划。
“Solar”指的是使用太阳能的电池,“Impulse”是指动力,亦即此原型机全采用太阳能为动力,不需任何石化燃料。
阳光动力号的重点为,计划成为第一个只使用太阳能为动力,完成环绕地球一圈的固定翼飞机。这架飞机是单座单翼机,搭载太阳能电池,能够自力起飞。
被设计为可在空中停留36小时。
2009年12月,原型机进行了首次试飞;2010年7月,它完成了一个长达26小时,完整的昼夜循环飞行,其中有将近9小时是夜间飞行。
要知道这对于太阳能飞机是十分困难的,如果想要完成完整昼夜循环飞行,白天就不可以“肆无忌惮”地飞行,必须遵循严格的能量管理策略,使得太阳能电池保持最大的能量储备,才能实现在傍晚、清晨这种太阳光很弱和夜间完全没有太阳光照即能量来源的情况下完成飞行任务。
2012年,两人又完成了仅依靠太阳能为动力,由瑞士到西班牙,再到北非摩洛哥的跨洲飞行。之后的2013年,再完成了横跨美国西岸到东岸的飞行。
太阳能能够支撑飞机飞行吗
我们都清楚,如果飞机要完成环球飞行,就必须不断加油,因为没有哪种飞机的燃油能支撑其环绕地球一周!同样,人造卫星一旦进入轨道就无需再加油,例如我国的东方红一号,它在轨飞行半个世纪后依然稳定运行。
然而,我们经常听到国际空间站需要加注燃料,进行轨道抬升,许多通信卫星也需要燃料来维持轨道,这背后的原因是什么呢?
首先,卫星进入近地轨道的速度并非依靠空气动力,而是利用其高速环绕地球轨道所产生的“离心力”与地球引力相抗衡,当两者达到平衡时,卫星就能保持在轨道上。
当然,这个轨道必须远离大气层,以免空气阻力导致其速度减慢并最终坠落回地球。
这一原理在牛顿于1687年发表的《自然哲学的数学原理》中有所阐述。
根据万有引力定律和环绕运动的“离心力”公式,我们可以计算出地球表面的环绕速度大约为7.9千米/秒。但在地表大气稠密的高度,这一速度会减小至大约7.8千米/秒。
要飞离地球到达月球,卫星需要的不仅仅是环绕速度,还需要一个逃逸速度。
逃逸速度的概念很简单:一个物体在行星轨道上加速,若其轨道变为一个不闭合的椭圆,甚至更大的椭圆或抛物线,那么它最终会逃离行星引力。
这个椭圆不再闭合时的速度就是逃逸速度。
实际上,飞往月球并不需要真正的逃逸速度,只需达到一个远地点距离达到38万千米的大椭圆轨道即可。
关于所谓的第三宇宙速度,实际上并不存在。
整个宇宙只需要第二宇宙速度即可,因为一旦物体达到逃逸速度,它就能逃离任何天体的束缚。
但在行星绕行恒星的模型中,逃离恒星系时则可能需要一个第三宇宙速度,即地球逃逸速度和地球轨道上太阳的逃逸速度平方和的平方根。
国际空间站和通信卫星需要经常点火维持轨道的原因在于,尽管从理论上讲,一旦卫星进入轨道,它将无需任何燃料即可维持其在轨道上的运行,但实际上,卫星的命运还受到其载燃料的影响。
对于国际空间站而言,由于其位于大约400千米的正圆形轨道上,仍然在大气层的逸散层范围内,因此会受到稀薄大气分子的阻力影响。
此外,国际空间站拥有超大面积的太阳能电池板,也会受到太阳活动带电粒子的影响,导致大气分子密度出现大幅变化。
因此,国际空间站每年因轨道调整消耗的燃料超过4吨,费用高达4000万美元。
至于静止轨道上的卫星,尽管理论上它们可以在轨道上保持数百万年而不需要燃料,但实际中,它们仍然需要燃料来维持自己的位置,因为静止轨道上的卫星在地面观察时似乎是固定不动的,因此必须确保它们不会偏离原位。
星载燃料的作用就是让卫星回到正确的位置。
随着技术的发展,现代卫星和探测器大多使用动量轮来维持姿态,但在动量轮失效时,仍然需要使用姿态发动机进行辅助。
例如,日本的隼鸟号探测器在探测丝川小行星时就曾这样做过。
然而,并非所有卫星都具备这种功能,例如早期的东方红一号就没有发动机和动量轮,而是采用自旋稳定的方式,每分钟旋转120圈,使用全向天线,因此不存在指向性问题。
最后,随着离子发动机的成熟应用,它已成为卫星轨道维持的未来趋势。
离子发动机通过电离介质,将带电粒子加速排出,实现超前的推力,只需电能和少量的燃料,如氙或汞。
这种发动机有望支持人类在太阳系的行星际航行。
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