Table of Contents
הדחף האירודינמי לטיסה בעלת כוח סולארי
מטוסים המופעלים על ידי השמש מייצגים שינוי פרדיגמטי בתעופה, טיסה מדלקים מאובן על ידי רתום אנרגיה פוטו-וולטאית. עם זאת, צפיפות הכוח המוגבלת של אור השמש מציבה דרישות קיצוניות על יעילות הרכב.כל וואט של אנרגיה סולארית הננקטת חייב להיות מתורגם למעלימה עם פסולת מינימלית.זה עושה אופטימיזציה אירובית לא רק מטרה עיצובית, אלא גם את האתגר ההנדסי המרכזי.
הצלחה בתחום זה נשענת על הבנה עמוקה של דינמיקות נוזליות החלות על מבנים אשר חייבים גם לשלב תאים סולאריים שבריריים על פני השטח שלהם.המטוס חייב להיות במקביל נוקשה, קל משקל, ונקי אווירודינמי. מאמר זה חוקר את העקרונות, אסטרטגיות וטכנולוגיות חדשניות המאפשרות למטוסים המופעלים על ידי השמש להשיג טיסה מתמשכת באמצעות עיצוב אווירודינמיקה קפדני.
עקרונות אווירודינמיקה של מטוסים סולאריים
Aerodynamics שולט בכוחות המעלית, גרור, דחף ומשקל הפועלים על מסגרת אוויר.עבור מטוסים מופעלים סולאריים, היחסים בין המעלית לגרור הוא בעיקר קונקווינסיאל. יחס המעלית-ל-דראג (L/D) משמש כמדד עיקרי של יעילות אווירית.יחס L/D גבוה יותר נדרש פחות כדי לשמור על רמת הטיסה, אשר באופן ישיר מקטין את כוח המשיכה על מערך סוללות סולאריות וגרורתיות: טיפול ראשוני של מטוס סולארי.
גרף דרגו ו-High-Aspect-Ratio Wing
(הופנה מהדף ⁇ ) הוא תוצר לוואי של ייצור מעלית.זה קורה כמו שפיכות אוויר סביב הכנפיים, יצירת מערבים אשר ביעילות להפחית את יעילות הזרוע.הדרך היעילה ביותר להפחית את הגרור המושרה היא להגדיל את יחס האגף של הכנפיים - יחס הריבועי עד כה מחולק על ידי האזור, כנפיים סלנדר לייצר פחות שטיפת וקטן יותר, ובכך מוריד באופן משמעותי את פני השטח של 2 עד 2 ק"מ"מ גבוה יותר:2 עד כה גבוה יותר: 1F רגיל, כמעט כל כך, עד כה, עד 2.
Parasitic Drag and Surface Management
גרור Parasitic מורכב חיכוך עור וצורה חיכוך עור עולה מן האינטראקציה מולקווס בין האוויר לבין פני השטח של המטוס.עבור מטוסים סולאריים, משטח כנף הוא משימה כפולה: זה חייב להיות חלק אווירי באופן דינמי למזער חיכוך, אבל זה חייב גם למתוח לוחות סולאריים או מחסנים שטוחים, 000 אנטנות חודרים, מציג ירכיים, צומת, פוטנציאל.
הפיצוץ של דרדר-ליפטזון בטיסה סולרית
העיצוב של מטוס המופעל על ידי השמש הוא תרגיל באי איזון כוחות מנוגדים. A כנף אופטימיזציה למעלית מקסימלית במהירויות נמוכות לעתים קרובות מייצרת גרור גבוה יותר.בדרך כלל, כנף בצורת גרור מינימלית לא יכולה לייצר מספיק מעליות למשקל המטוס.המפתח הוא למצוא את נקודת התפעול שבה המטוס יכול לקיים טיסה רק באמצעות הכוח הזמין מתאים סולאריים שלו.
אופטימיזציה של משטר מספר ריינולדס
מטוסים סולאריים פועלים במספרים נמוכים של ריינולדס, בדרך כלל מתחת ל-1 מיליון, כאשר זרימת האוויר נוטה להיות laminar אבל נוטה להיפרדות.במשטר זה, שכבת הגבול היא דקה ורגישה לפגמים משטחים. אלמנט קטן של גסות - תא סולארי מעוות או ים צבע גס - יכול לגרום מעבר מוקדם לזרימה סוערת, עלייה דרמטית של מעצבי עור, ולכן להשקיע מאמץ משמעותי בשמירה על פני השטח בצורה משמעותית ככל האפשר, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח החלקה, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, לעתים קרובות מאוד יעיל מאוד, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח החלקה, כמו גם על פני השטח של שליטה חלקה, כמו גם על פני השטח, לעתים קרובות, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, כמו גם על פני השטח, לעתים קרובות מאוד, כמו גם על
טעינה ומהירות טיסה
טעינה כנפיים - משקל המטוס המחולקים על ידי אזור הכנפיים - הוא פרמטר קריטי של מטוסים סולאריים בדרך כלל יש טעינה נמוכה מאוד, לעתים קרובות מתחת 5 ק"ג / m2, בהשוואה 100-800 ק"ג / m2 עבור מטוסים קונבנציונליים. זה טעינה נמוכה מאפשר להם לטוס במהירויות איטיות מאוד, אשר מפחית את הכוח הנדרש עבור מעלית. עם זאת, טעינה נמוכה גם עושה את המטוס רגישים יותר כדי להפרעות ומהירות גבוהה.
חידושים בעיצוב בשמש-Powered Aerodynamics
השגת הביצועים האנירודינמיקה הנדרשת דורשת חידושים על פני חומרים מדע, הנדסה מבנית ותצורת מטוסים.כמה אסטרטגיות מפתח הופיעו כבסיס לתכנון מטוסים סולאריים מודרני.
מבנהים מתקדמים
משקלו של מסגרת האוויר משפיע ישירות על המעלית הנדרשת.כל קילוגרם הציל להפחית את שטח הזרוע הדרוש, אשר בתורו להפחית את גרר. מסובבים מתקדמים כגון פולימר פחמן-מרוס (CFRP) ואת ליבות דבש ramid לספק יחסי כוח קיצוניים במשקל אל משקל.חומרים אלה מאפשרים בניית כנפיים גדולות, דקות כי מתנגדות לכידות וללא שימוש מוגזם במבנים או במכוון חומרים מתאימים לגיעת עץ.
פרופיל ובחירת Airfoil
בחירת האוויר המתאים הוא חיוני לטיסה קטנה-מספר מטוסים סולאריים מודרניים לעתים קרובות להעסיק אווירי מעוצבים מותאם אישית עם חסכוניים מרים מקסימלי גבוה ו דלי נמוך על פני מגוון רחב של זוויות של התקפה. אלה Airfoils בדרך כלל תכונה יתרון עבה יחסית כדי לעכב הפרדה ונתיב דק יחסית להפחית את הדינמיקה של גרורתיות (FD) הוא בדרך כלל לטיפוס אווירי חום באופן נרחב על תנאי סוללה ספציפיים, כולל השמש על פני זמן קצר על פני זמן קצר יותר, כולל זמן קצר על פני זמן קצר יותר, כולל זמן קצר יותר, כולל מצב אוויר רגיל, כולל השמש.
מערכת השמש ללא תוקפנות
הגדלת תאים סולאריים לתוך פני השטח כנף ללא הגדלת גרר הוא אתגר גדול. עיצובים מוקדמים השתמשו לוחות מכוסים זכוכית נוקשה כי הוסיף משקל ושיבוש זרימת אוויר. טכניקות מודרניות כרוכה הטמעת תאים סולאריים גמישים פילים, כגון נחושת indium Gallium slenide (CIGS) או ריזה arsenide (GaAs), ישירות לתוך העור.
עיצוב פנים גבוה Ratio Wing design
כפי שצוין, כנפיים יחס היבט גבוה הם סימן ההיכר של מטוס סולארי.ה-FLT:0 אימפולס 2FLT:1 יש מסגרת כנפיים של 72 מטרים - ארוך יותר מאשר בואינג 747 - אבל לא שוקל רק כ 2,300 ק"ג, achieving זה דורש מבנה כנף כי הוא מאוד מזחלת וגם למהנדסים נוקשים לשימוש פחמן, מלחים, לעתים קרובות יכול לגרור שרוולים נוספים על מנת לגרור כנף, למרות שרוולים, למרות עיגולים אחרים, לעתים קרובות, ללא עיגולים.
Aerodynamic Modeling and Simulation
תכנון מטוסים סולארי מודרני מסתמך רבות על כלים חישוביים כדי לחזות ולייעל ביצועים אווירודינמיים לפני בניית אבטיפוס פיזי.דמיות CFD גבוהה FD סימולציות FD יפתרו משוואות Navier-Stokes סביב הגיאומטריה של המטוס המלא, לכידת זרימה, מעבר ו אינטראקציות מערבולת. סימולציות אלה מאפשרות למהנדסים לבחון מאות של אווירוריאציות תוכנית, בחירת התצורה שממקסימה את התצורה / D המיועדת לפרופיל המיועד לפרופיל.
אופטימיזציה רב תחומית
אופטימיזציה אירובית לא יכולה להתרחש בבידוד.צורת הכנפיים משפיעה על משקל מבני, מיקום תאים סולאריים, וקיבולת אחסון סוללות. Multidisciplinary design Optimization (MDO) מסגרות זוג אווירודינמיקה, מבנים ומערכות אנרגיה לתוך ניתוח יחיד.לדוגמה, הגדלת טווח הכנפיים משפר את האווירודינמיקה אבל מוסיף משקל מבני, אשר מגביר את המעלית הנדרשת.
מנהרת רוח
למרות תחכום של CFD, בדיקת מנהרות רוח נותרה חיונית לאימות מודלים אווירודינמיים.מודלים של מטוסים סולאריים נבדקים במנהרות בעלות הפרעות נמוכות כדי למדוד את המעלית, לגרור ולקבוע רגעים.טכניקות הדמיה זרימה, כגון רשתות כוונון או חלקיק velocimetry (PIV), לחשוף אזורים נפרדים ומבנים מערבים.
יישומים אמיתיים ומקריות
עקרונות אופטימיזציה האירודינמיים הוכחו במספר תוכניות מטוסים סולאריות.
סולרה 2: A Benchmark in Efficiency
ה-FLT:0 ,Solar Impulse 2FLT:1 השלים את ההיקף הראשון של כדור הארץ על ידי מטוס מופעל סולארי בשנת 2016, טס 40,000 ק"מ ללא דלק.העיצוב האירודינמיקה שלו הוא מאסטרוניפר בהפחתה של גרגרית המטוס 72 מטר כנפיים, רוחב גבוה של עדר גבוה, ומשטח אולטרה-מוסמדומים מאפשר יחס אווירי של כ- 40 מטוסים מוקרן, רק עם זרם חשמלי גבוה של 2 ליטרים, 000 ליטרים, 000 גבוה, 000 של 2 מטוסים, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 של נפח של 2 מטוסים, 000 גבוה, 000 גבוהה של נפח של נפח אוויר, 000 גבוה של פחמן גבוהה של פחמן גבוהה של פחמן גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה של נפח של פחמן גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה של נפח של נפח של נפח של נפח של נפח של נפח של פחמן גבוה של פחמן גבוה של פחמן גבוה של פחמן גבוה של פחמן גבוה של פחמן גבוה של פחמן גבוה של פחמן גבוה, 000 000 000 000 000 000 000 000 גבוה של פחמן גבוה של פחמן גבוה של פחמן, 000 000 000 000 000 גבוה, 000 000 000 000 000 000 000 גבוה של נפח של פחמן גבוה של פחמן, 000 000 000 000 000 000 000 000
Pseudo-Satellites (HAPS)
תוכניות רבות, כולל:0; Airbus ZephyrcioFLT:1 ו- (FLT:2Boeing SolarEaglephalFLT 3, מפתחים מטוסים המופעלים על ידי השמש למעקב מתמשך ותקשורת.אלה פסאודו-סולטים גבוהים מספיק לפעול בגובה של 20-30 ק"מ, מעל מזג אוויר וסחר אווירי תנועה, צפיפות האוויר נמוכה מאוד, הדורשת עלייה של עד 60 ק"מ בלבד, 000 ק"מ בלבד, וגובה אוויר גבוה, 000 ק"מ, 000, 000 גבוה, 000 ק"מ, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 ק"מ, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 רגל, 000 רגל, 000 רגל, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה יותר, 000 גבוה, 000 רגל, 000 רגל, 000 רגל, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 ק"מ, 000 גבוה יותר, 000 ק"מ, 000 גבוה, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 ק"מ, 000 רגל, 000 רגל, 000 רגל, 000 רגל, 000 רגל, 000 רגל, 000
מצע אקדמי ומחקר
אוניברסיטאות ומוסדות מחקר בנו מספר רב של מטוסים סולאריים בקנה מידה קטן כדי לבחון מושגים אווירודינמיים.ה-FLT:0Sky-SailorcioFLT:1 פרויקט ב-ETH ציריך הראה טיסה סולארית אוטונומית המופעלת על ידי השמש במשך ימים רבים באמצעות מסגרת כנפיים של 3.2 מטר.פלטפורמות קטנות אלה מאפשרות הדבקה מהירה של מטוסי אוויר, תצורה ובקרה של טיסות אלה של כלי רכב גדולים יותר, כמו גם תצורה של תצורה של תצורה של תצורה של גלקסיות, כגון גרורתית, למערכות גלקסיות, למערכות למערכות למערכות גלקסיות, ואלגוריתמיות, מחסנים, מחסנים, אלגוריתמיות, אלגוריתמיות, אלגוריתמיות, כמו גם אלגוריתמיות, אלגוריתמיות, אלגוריתמיות, מוטציות, מחסנים של אלגוריתמיות, אלגוריתמים של אלגוריתמיות, אלגוריתמים של אלגוריתמיות, ואלגוריתמיות, ואלגוריתמיות, ואלגוריתמיות, ואלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של מוטציות, כמו גם אלגוריתמים של מוטציות, אלגוריתמים של אלגוריתמים של גלקסיות אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של
אתגרים באירודינמיקה של מטוסים סולאריים
למרות התקדמות משמעותית, מספר אתגרים נותרו להגביל את הביצועים ואת האמינות התפעולית של מטוסים המופעלים על ידי השמש.
תגובה ותגובה גסה
טעינה נמוכה של כנף הופכת את המטוס הסולארי רגיש מאוד להפרעות אטמוספריות. גור פתאומי יכול לגרום לשינויים גדולים זווית-of-מתקפת, המוביל לזרימת הפרדה או עומס מבני.העיצוב האירודינמיקה חייב לכלול תכונות הקלה של גיל הרך, כגון טיפים גמישים כנף כי באופן פסיבי deflect תחת עומס, או משטחים בקרה פעיל להגיב לקלטי מים, עם זאת, מערכות פעיל להוסיף משקל ואפקט זרם על פני השטח של מעגל מתמשך.
גשם, קרח וזיהום
זיהום סביבתי מקטין ביצועים אווירודינמיקה. טיפות גשם משבשות את זרימת laminar, הגדלת חיכוך העור לגרור עד 30%. אי-דיוק על קצה המוביל יכול להרוס לחלוטין מעליות ולהגדיל באופן דרמטי את הגרור.עבור טיסות ארוכות טווח, המטוס חייב להימנע מתנאי השקיה או לשלב מערכות דה-קינג אשר מוסיפים משקל ועלויות כוח.
סטרקטידור-אירודינמיקה Coupling
הכנפיים הגדולות והגמישות של מטוסים סולאריים נוטות לתופעות אוויריות כמו פלוטר ובדלנות.כפי שהאגף מתנדנדנד תחת עומס, התכונות האירודינמיקה שלו משתנות, פוטנציאל ליצור לולאת משוב שמובילה לכישלון מבני. מהנדסים חייבים לבצע ניתוח אווירי מפורט כדי להבטיח שהאגף נשאר יציב בכל מהירויות הטיסה.זה דורש לעתים קרובות נוקשות או מסה, אשר מתחרים עם המטרה של מערכות הרזיה ניסיוניות עדיין נחקרות על פני השטח.
כיוונים עתידיים באירודינמיקה של מטוסים סולאריים
הדור הבא של מטוסים סולאריים ירוויח מטכנולוגיות מתפתחות המבטיחות שיפורים נוספים ביעילות אווירודינמית ועוצמה מבצעית.
כנפיים הסתגלות ומופיחות
כנפיים ריידיות ממוטבות עבור מצב טיסה יחיד. כנפיים הסתגלותיות אשר משתנות את הצורה בתגובה לתנאי זרימת האוויר יכול לשמור על גבוה L / D על מגוון רחב יותר של מהירויות וגבהים.מושגים כוללים סמבר משתנה, טוויסט משתנה, וכנפיים טלקופינג. חומרים Active, כגון סגסוגת זיכרון צורה ומחולל אדמדומי אדמדומי, מאפשר מחסומים ללא משטחים של שליטה משתנה, הפחתת מתקופות של מתחנן מוקדם של מתחנן, בעוד שעדיין הוכחוכות, בעוד שרטוטים בשלב מוקדם של צורות ניתוח.
טיפול על פני השטח ביומטי
הטבע מציע השראה לירידה בגרור.כרי עור הכרישים להפחית את החיכוך העור הסוער על ידי תקשור זרימה ועיכוב הפרדה. כמה קבוצות מחקר מפתחים משטחים מיקרו-לא-מנטליים המחקים את ההשפעה הזו, השגת הפחתות של 5-10% בזרימה סוערת. Lotus-leaf-inspired superhydrophobics יכול להדוף גשם וקרח, שמירה על זרימת laminar בתנאים שליליים החלים אלה יכול לספק טיפולים סולריים יכול לספק יעילות משמעותית ללא משקל.
המונחים: Electric Propulsion
במקום מנוע גדול יחיד, הנעה חשמלית מבוזרת משתמשת מספר רב של מדחפים קטנים לאורך קצה כנף המוביל.תצורה זו מאיצה את זרימת האוויר מעל הזרוע, עלייה במהירויות נמוכות ומאפשרת אזורי כנף קטנים יותר.הדחפורים עצמם יכולים להיות מעוצבים עם סט משתנה פרופילים נמוכים כדי למקסם את היעילות. Distributed Propulsion גם מספק undancy ובקרת סמכות מחקר.
תאים סולאריים גבוהים יותר וספורט אנרגיה
בעוד לא ישירות אווירודינמיקה, שיפורים ביעילות תאים סולאריים צפיפות אנרגיה הסוללה לשנות את הנוף אופטימיזציה.תאים יעילות גבוהה יותר לאפשר אזורי כנף קטנים יותר עבור אותו פלט חשמל, צמצום גרור. בדומה, סוללות קלות להפחית את המשקל, להפחית את הביקוש להרים. תאים סולאריים רב-ממדיים, כגון אלה המשמשים סוללות לוויינים, להשיג יעילות מעל 40% תחת אור מרוכז.
בקרת טיסה אוטונומית עבור אופטימיזציה של Aerodynamic
מערכות בקרת טיסה מודרניות יכולות להתאים באופן רציף את זווית ההתקפה של המטוס ולהוביל כדי לשמור על תנאים אווירודינמיקה אופטימליים. אלגוריתמים של בקרת הסתגלות של המטוס בזמן אמת יכולים לפצות על שינויים במשקל, גובה, ותנאי אטמוספריים. לדוגמה, טייס אוטומטי יכול לסחור עלייה קלה בגרור עבור עלייה משמעותית בלכידת כוח סולארי לעבר השמש.
מסקנה
אופטימיזציה האירודינמית של מטוסים המופעלים על ידי השמש היא משמעת הנדסית גבוהה שבו כל חלק של אחוז ביעילות מתורגם ישירות לתוך יכולת המשימה.מפיזיקה הבסיסית של גרר מושרה ופילסיטית לאתגרים המעשיים של שילוב תאים סולאריים לתוך משטח חלק, המרדף של הישגים מינימליים של גרור ומקסימום מניע כל החלטה.
במבט קדימה, מבנים אדפטיים, פני השטח הביו-מיגנטיים, מערכות אנרגיה מבוזרות מבטיח לדחוף את הגבולות קדימה.כפי שטכנולוגיות אלה בוגרות, מטוסים המופעלים על ידי השמש יעברו ממפגינים מיוחדים למטרות מיוחדות לפלטפורמות מבצעיות המסוגלות למעקב מתמשך, תקשורת ניטור סביבתי.המסע האירודינמי הוא רחוק מהשלמת, אך הנתיב הוא ברור: המשך האינטראקציה בין מבנה אוויר, אנרגיה ואוויריתחילול פוטנציאל טיסה מלא.