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2. 结构 太阳能—电动力推进系统 “阳光动力”飞机太阳能-电动力系统主要可以分成两部分:提供基本电能的太阳能电池系统;安装在翼下和动力舱内的电能存储和机械推进系统,包括蓄电池、电机、螺旋桨、减速器、能量管理系统等。 太阳能电池 太阳能电池由11628块柔性单晶硅电池组成,总面积200米2,总重量96千克。太阳能电池质地轻盈,且韧性好,可与机翼结构一起变形,但不承载。 单块电池规格125毫米×125毫米,厚度仅150微米,额定输出电压0.6伏(随温度和负载变化)。每333块电池构成一个模块,标准输出电压200伏。每个模块都由最大功率点跟踪器(MPPT)控制,每个MPPT可以控制多达4个模块,整个太阳能电池共有36个MPPT。 动力系统吊舱 该机翼下两侧共安装4个动力系统吊舱,动力系统吊舱基本结构包括碳纤维管材构成的空间桁架结构和外壳,桁架结构用于安装动力系统部件,与机翼连接传递载荷,外壳起到气动整流罩和包覆/保护作用。每个吊舱内都安装有一台功率为7460瓦的电机、一个锂聚合物电池电池组(每组包含70节电池单体)、控制充电门限值和温度的电池管理系统。吊舱内安装有隔热系统,用于保存电池产生的热辐射,这样保证系统在8500米高空的-40℃低温环境下也能正常工作。电机和直径3.5米的两叶螺旋桨之间有一个减速箱,能够将螺旋桨转速限制在400转/分之内。 蓄电池 锂聚合物电池储存系统的单节电池输出电压4.2伏(完全充满电)~3.2伏(完全放电),70节电池构成一个电池组,电池组标准输出电压290伏,正常工作温度范围15~35℃,全机电池组总电量86千瓦时,电池比能量约200~220瓦时/千克,电池总重量400~436千克,占全机重量的1/4。 蓄电池重量也很大,因此需要显著降低飞机其他部分的重量,才能使整个能源供应链最优化,并使大展长机翼和翼型最大限度地实现气动力性能。 结构和材料 “阳光动力”飞机总重1600千克,其结构重量虽然限定在数百千克,但是仍要保证足够的刚度以及飞行操纵特性等要求。 为保证低速性能和获得足够的太阳能电池安装面积,机翼采用翼展超大的弹性结构设计。要满足大挠度、“变体”结构,需进行复杂的多学科设计/分析方法,并确保超大尺寸、大挠度结构特性与飞行控制系统协调一致,否则可能发生如“太阳神”无人驾驶太阳能飞机一样的严重坠毁事故。 机体选用一些新型重量轻、强度高的材料,包括碳纤维复合材料,以及泡沫、塑料蒙皮等特殊材料。 机翼结构 飞机翼展长达63.4米,机翼结构的主体是61米的盒形梁(主翼盒)。盒形梁分成5段,包括中央段、左右两侧中间段和翼尖段,中央段长约20米,中间段和翼尖段长约10米,中央段和中间段为等截面,翼尖段截面由内向外逐步减小。各段翼盒之间用4组接头连接。翼盒四面分别由前、后墙和上、下壁板构成,内部翼肋按大约0.5米间隔布置,共有约120根。翼肋外轮廓近似矩形(翼型剖面),前后各有一个近似矩形的大型减轻孔。翼肋为两面碳纤维面板加中间蜂窝夹芯结构。 盒形梁约占弦长的20%,前部连接机翼固定前缘,后部连接固定后缘,固定后缘后面连接副翼和襟翼。 前缘和后缘各有120根碳纤维复合材料管构成的桁架式翼肋,肋间距0.5米,翼肋具有重量轻、承载能力强的特点。上翼面透明蒙皮内部封装太阳能电池系统,下翼面蒙皮采用轻质柔性薄膜。 后缘襟翼和副翼为单梁多肋结构,表面覆盖高强度透明薄膜蒙皮。 |