Güneşli Uçakta Asansör ve Drag arasındaki Dengeyi Gösterin

Güneş Enerjisi Edilen Uçuşun Sonu

Güneşli havaliman modern havacılıktaki en zorlu mühendislik disiplinlerinden birini temsil eder.Bu dengeyi yaklaşık olarak 12.000 skara başına taşırken, güneş uçaklarının güneş ışığıyla ısıtılması gerekir, doğrudan elektrik gücüne dönüştürmek yeterli güneş enerjisiyle ilgilidir, ancak asansör ve sürüklenme arasında kesin bir dengeyi sürdürürken, bu dengeyi birden çok diurnal döngüsü boyunca uçuşun, hatta birkaç hafta boyunca ısıtıp, hatta aylarca enerji tasarrufu sağlamadığını belirler.

NASA'nın Pathfinder gibi projelerin başarıları, QinetiQ Zephyr ve Solar Impulse serisi, pratik gerçeklikte teorik bir egzersizin ne olduğunu değiştirdi.Bu platformlar yakıtsız uçuşun sadece aerodinamik temellere dikkat etmesiyle mümkün olduğunu gösteriyor: her tasarım kararı, kanatlardan pil kimyaya geri döndü, sonuçta asansör-drag denklemine geri beslemektedir.

Fiziksel Prensipler: Asansör, Drag ve Bu Maddelerin Oranları

Güneş uçakları tarafından karşılanan tasarım kısıtlamaları takdir etmek için, bir tanesi tüm atmosferik uçuşu yöneten iki karşıt kuvvet anlamalıdır. Lift), bir kanat üzerinde ve bir kanat altında üretilen hava akışları, kanatın camı ve saldırı açısı ile üretilen basınç farklılıklarının aksine, dışsal olmayan yüzeylere sürüklenme, uçaktan yüklenmesi gerekir.

Asansörin sürüklenme oranı (L/D) aerodinamik verimlilik merkezi metriktir. Yüksek L/D, uçağın nispeten küçük sürüklenme sırasında önemli bir asansör oluşturabileceğini gösteriyor. Konvansiyonel glifiller rutin olarak 40'ın üzerinde L/D oranları elde eder ve özel bir yarış uçakları 60'ın üzerindeki düşüşe neden olur.

Drag Breakdown'u Anlamak

Güneş uçaklarındaki Drag, üç birincil kategoriye ayrılabilir, her biri farklı mitigation stratejileri gerektiren:

• [FONT:0]Parasitic drag), havanın karesi ve ıslak zemini gibi asansör olmayan yüzeylerden kaynaklanır.
• [FONT:0)Indüktör [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜŞÜNİVERSİTE: 0 ) İndüklenen sürüklenme[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜN) Güneş Hava Kuvvetlerinin aşırı sınırlara sürüklenmesinin neden olduğu.
• [FONT:0]Skin sürtünme sürüklenme), yüzey kabalığı ile etkileşime giren hava viskobundan elde edilen sonuçlar. Laminar akışı, deri sürtünmeyi% 90 ile turbulent akmasına kıyasla azaltır, yüzey kalitesi kritik bir tasarım parametresi yapar.

Solar-Powered Uçaklar Neden Verimliliğinin Kenarında Operate Gerekiyor

Tipik bir piston-mühendis uçağı 10-15 L /D ile çalışabilir, çünkü yakıtı yaklaşık 12 bin watt saattir. Güneş uçak büyük ölçüde ince bir güç bütçesi üzerinde çalışır. Tipik olarak yüksek irtifak alanı, güneş ışınlama perdeleri 1000 watt'e yakın bir yanardağlar verir, ancak fotovoltaik hücreler her türlü aşırı bakımda elektrikten 20 ila 25'e kadar elektrikten uzaklaştırır.

Güneş Impulse 2, yaklaşık 37 L /D elde etti, yüksek performanslı bir glider ile karşılaştırılabilirdi. Bu, 72 metre kanatçı tarafından mümkün kılındı ve tamamen adil bir şekilde dışlanmış bir fuselaj. aerodinamik saflık, uçağın beş gün boyunca Pasifik Okyanusunu geçmesine izin verdi - bu verimlilik seviyesi olmadan imkansız olurdu. L/D ve dayanıklılık arasındaki doğrudan korelasyon güneş uçaklarının tasarımının belirleyici kısıtlamasıdır.

Power Budget Scarcity in Detay

Herhangi bir anda güneş uçak için mevcut olan güç, güneş ışınlaması, panel alanı, dönüşüm verimliliği ve sistem kayıplarının bir fonksiyonudur.

• Güneş bataklığı: - güneş noon'da 1000 W /m2, gece sıfıra düşüyor
• Fotovoltaik hücre verimliliği: Modern monokristal silikon hücreleri için% 22-25
• Motor verimliliği: fırçasız DC motorlar için 92-% 97
• Propeller verimliliği: En uygun çalışma koşullarında% 80-85
• Güç elektronikleri ve kayıpları kablolama:% 5-10%

Kilometre başına net bir güç 150-200 W /m2 olarak düşük olabilir. 5-10 kW'ı seyire gerektiren bir uçak için, kanat aynı anda yeterli asansör üreterek bu darbeyi toplamak için yeterince büyük olmalıdır.Bu efekt, güneş uçak tasarımının eşsiz bir şekilde zorlandığı şeydir.

Kanat Mimarisi: Balancing Force için İlk Arena

Kanat asansörün en yoğun şekilde pazarlık ettiği yerdir. Güneş uçağı neredeyse evrensel olarak kanatlarını alginç ile çalışır:0) yüksek yön oranı[Dönetici 1) - uzun süre boyunca yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, uzun soluklu uçaklar aynı uzun soluklu görünüme sahipler.

Ancak, artan yön cezaları taşır. Daha uzun bir kanat, aerodinamik kazanımlara sahip olduğu kadar yapısal ve kütle maliyetlerine de karşı koymak için daha esnek hale gelir.Bu aynı zamanda daha esnek hale gelir, 20-30 achievable.. NASA Pather, örneğin, Helios Proto tipi gibi modern kompozit malzemelere ulaştı - 20 ila 90 metreden fazla eğimli bir şekilde ulaştı.

Airfoil Design ve Laminar Flow Control

Laminar akışı, aynı yüzeyde toplanabilir akışlara kıyasla cilt sürtünme sürüklenme oranını %90'a kadar azaltır. Birçok güneş uçağı, yüksek çözünürlükte küçük bir böcek saldırısı veya yüzeyin aşırı yüklenmesini sağlamak için tasarlanmış özel havafoilleri kullanır.

Reynolds Güneş Uçakları Üzerine Sayı Etkileri

Atılımsızlığı ve erken geçişin devam ettiği bir rejimdeki araç sayısı genellikle yavaş hızlarda ve orta irtifalarda çalışan güneş uçakları için düşük. A Reynolds, aşağıda 500.000 yer altında, laminar ayrılıklarının ve erken geçişin devam ettiği bir rejimdeki uçağın altında yer alan bir rejimde yer alıyor.

• Laminar'ı üst yüzeyin önemli bir kısmı üzerinde korumak
• Akış Ayrılmasına neden olabilecek bir aniden basınç kurtarmasından kaçının
• Gerekli asansör katlarını oluşturmak için yeterli camber sağlamak
• Kesme sürüklenme süresini azaltmak için Minimizing pitching an to reduce trim drag

FX 63-137 gibi özel havafoiller ve türevleri güneş uçaklarında başarıyla kullanıldı, ancak modern tasarımlar belirli uçuş koşulları için terziye baskı dağıtımına giderek daha fazla güvenmektedir.

Kanatların Ötesinde İncelenmesi

Kanat sürüklenmelerin çoğunluğuna katkıda bulunurken, diğer hava çerçeve elemanları ihmal edilemez. Fuselage, empennage ve herhangi bir dış ödeme yükü parasitik sürüklenme ekmektedir. Güneş uçak tasarımcıları doğrudan kanat üst yüzeyinden aşağıya doğru ısıtılır, hava disklerine uygun olarak ısıtılır.

Diğer sürüklenme önlemleri geri alınabilir iniş dişlisi (Solar Impulse, propwash'da en azalanan tek bir bisiklet tarzı dişli kullandı, iç rotalı kablolar ve kızarmış antenler. Propulsion system is also optimize for low power settings, using large-diameter, yavaşça turneler. Elektrikli motorlar kendilerini% 95'in üzerinde effici seviyelere ulaştılar, ancak ısı reddedilmesi, soğutma sürüklenmeden yönetilmelidir.

Minimal Power Kayıp için Pereller Design

Pervane, güneş uçaklarında büyük bir sürüklenme ve güç kaybı kaynağı temsil ediyor.Bu hızlı pervane motorları için tasarlanmış düşük güç kesintileri ve güneş hızları ile yavaş uçuş hızları için uygun. Bunun yerine, tasarımcılar düşük disk yükleme ile büyük hacimli peripeler kullanıyor - 200-400 RPM. Bu pervaneler doğrudan düşük dayanıklılıka veya yüksek çözünürlüklere sahipler.

Asansör-Drag Equation'daki Kilo Rolü

Ağırlık doğrudan herhangi bir hızda gerekli asansörü belirler. Sürekli seviyede uçuşta, asansör tam olarak eşit ağırlıka sahip olmalıdır. Daha ağır bir uçak daha hızlı uçmalıdır (daha yüksek bir saldırı açısında çalıştırılır veya mikrometre ölçeklerine de zarar verir).Her kilogram hava yoluyla kalması için gereken gücü azaltır, bu da birlikte daha küçük bir kanat veya daha düşük batarya kapasitesi sağlar. Solar uçak aşırılığa ağırlık tasarrufu sağlar: Nome balxcomb çekirdekleri ile kompozitler, güneş hücreleri mikrometer ölçeklere incelenir, en aza indirmek için gerekli olan kablolamaları azaltır ve bir araya getirir.

Battery ağırlığı belki de en önemli ikilemdir. Sürekli gün-ve gece operasyon için, uçak 2300 kg karanlık saat boyunca yeterince enerji depolamalıdır. - batarya ağırlığının arttırılması - veya aşırı yük olmadan gerekli olan yeteneği artırın.Bu yüzden sağlam-devlet pilleri ve hidrojen yakıt yakıt yakıt-kücretleri ile ilgili araştırmaların sıkı bir şekilde izlenmesi gerekir.

Yapısal Kilo Optimizasyon Teknikleri

Güneş uçaklarının yapısal tasarımı, gücü korumak için kilo vermek için birkaç gelişmiş teknik kullanmaktadır:

• [FONT:0]Sandviviç kompozitler [Dönder: 1) Karbon fiber deriler ve Nomex veya köpük çekirdeği ile yüksek bükmeli sertlik, uzun süre gerekli olan, ince kanatlar için, çok büyük, çok az ağırlıkta, çok büyük, çok yüksek çözünürlükte, yüksek bükmeli bıçak sağlar.
• [[0)Optimized spar yerleştirme[[Dönlü element analizi kullanılarak, bükme anlarının en yüksek olduğu malzemeye odaklanır, genellikle kanat kök kök kök kökünün kök kök kök kökünün en yüksek olduğu malzemeye odaklanır.
• [0]Integrated solar hücreler[[DÜT:1) her iki güç jeneratörü ve aerodinamik yüzeyler kırmızıdan yapıt yapısını ortadan kaldırır
• [0]Minimalist ikincil yapı[[Dönem: 1) Geleneksel uçaklardan daha az sayıda kaburga ve dizeleyici ile, cildin kendi başına yük taşıyan yük taşımaya bağlı olarak,

Bu teknikler, güneş uçaklarının en yüksek takeoff kütlenin% 30'unun altında boş ağırlık fraksiyonları elde etmesine izin verir, geleneksel genel havacılık uçakları için% 50-60'a kıyasla.

Enerji Yönetimi, Dengenin Üçüncü Boyut Olarak

Hava ve sürüklenme arasındaki aerodinamik etkileşim, uçağın enerji sisteminden ayrılamaz.Gün ışığında, güneş serisi, gece uçuşu için bataryaları aynı anda şarj ederken, elektrik enerjisini erken sabah ve geç öğleden sonra bir süre içinde bir miktar daha fazla şarj eder.Bu uçuş profillerini yönetmek için, eğimli enerji bankacılık[Dönetici) için yük taşımacılığı sağlar.

Bu strateji, Güneş Impulse'nin çevresini hareket ettirdiği dönemde ünlü olarak kullanılmıştır.Günümüzde, uçak yaklaşık 8,500 metreye yükseldi; gece, güneş batana kadar, uçuş kontrol sistemleri sürekli olarak hava durumunu ve güneş açılarını değiştirme konusunda yeterince enerji tampon sağladı.

Enerji-Neutral Uçuş Durum

Güneş uçak tasarımının kutsal rayları, 24 saat boyunca tüketilen toplam enerjiye ulaşmaktır.

[D harvested= ⁇ panel × A panel × ⁇ I (t) dt ≥ E flight = ⁇ P required(t) dt).

⁇ panel panel verimliliğinin olduğu yerde, A panel panel alanı, I(t) güneş zaman içinde geri çekilmek ve P required(t) uçuş için gerekli olan anlık güçtir.Patorial latitudes yakınında çalışan uçak için, gün ışığı süresi yaklaşık 12 saat boyunca fazla güç transfer edilir, ancak net hasat edilebilir enerji, güneş enerjisinin yaklaşık 6-8 saat içinde güneş enerjisinin altında durgundur.

Gerçek Dünya Güneş Uçakları ve Aerodinamik Performansları

Birkaç ikonik platform bu ilkeleri göstermektedir.ŞUYUÇUÇLAR:0)Solar Impulse 2mann) Havabus Zephyr) - yüksek çözünürlükte pnömatik bir uçuşun L/Dışağı daha da temiz bir şekilde ortaya çıktı.

Daha önce, www.D.D.T.D.S.S.S.S.S.S.S.S.S.D.D.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S

Karşılaştırmalı Performans Metrikleri

Aircraft	Wingspan (m)	L/D	Maximum Endurance	Payload
Solar Impulse 2	72.3	~37	5 days (piloted)	One pilot + minimal gear
Airbus Zephyr 8	25	>30	64 days (unmanned)	~5 kg
NASA Helios	75	~30	~24 hours	~100 kg
Facebook Aquila	42	~28	~90 days (target)	~50 kg

Tasarım: Spiral Aerodinamik, Yapı ve Solar Collection

Mühendisler her kararın başkalarına geri döndüğünü "tasarım spirali" karşı karşıyalar. Daha büyük bir kanatçı L/D geliştirir, ancak ağırlık ekler ve daha fazla güneş hücresi gerekir - ki bu da ağırlıkları genişletir, daha büyük kanatlar. Hedef, en iyi uzlaşmayı bulmak için küresel olarak en iyi dengeyi bulmaktır.

Anahtar konsepti, L/D hızlarının en üst düzeyde olduğu hızda meydana gelir. Güneş uçakları için, güneş aralığının bu minimum taleple karşı karşıya kalması için yeterli bir güç sağlar: genellikle en iyi L/D hız altında meydana gelen minimum güçte uçma çağrısı yapar, ancak yine de yüksek aerodinamik verimlilik alanında.

Multidisipliner Optimizasyon Teknikleri

Modern güneş uçakları tasarımı, aynı anda aerodinamik, yapılar, enerji sistemleri ve uçuş performansı olarak görülen resmi optimizasyon çerçevelerini kullanır. Bu araçlar, ticarete ilişkin ticaret-mükemmel veya evrimsel algoritmaları kullanarak çalışır:

• Kanatlar yapısal kütle ve aeroelastic stabilite karşı
• Güneş hücresi verimliliği, birim alanı başına maliyet ve ağırlık karşı
• Yük kapasitesi ve şarj-discharge verimliliği ve termal yönetim
• Cruise yükseklik, mevcut güneş ışınlaması ve L /D üzerindeki hava yoğunluk etkileri karşılaştırıldığında

Optimizasyon genellikle kanat yüklemesinin son derece düşük olduğu tasarımlarda bir araya gelir - 50 Pa (5 kg/m2) - geleneksel uçaklar için 500-1.000 Pa'ye kadar. Bu düşük kanat yüklemesi, çok düşük hızlarda uçuş sağlar ve daha küçük batarya paketleri sağlar.

Future Challenges: Mevcut Limitler sayesinde

Dikkat çekici başarılara rağmen, önemli engeller kalır.ETHFLT:0)Energy depolama yoğunluğu[Dönetici: 1) En acil sınırlamadır. En iyi lityum iyon bataryaları bile, elektrikle ısıttıkları enerjiye göre ağırdır, ısıtılır ve dayanıklılık sağlar.

[FONT:0]Köpücüklüğün [Dönetici:0) Bir başka meydan okumadır. Yüksek çözünürlük platformları çoğu havadan kaçınır, ancak tıkanır ve uçabilir, sert ortamlara karşı çıkmak için hafif yapılar, 70 metrekır bir uçak ağırlıkları başlatmak ve kurtarmak için 70 metrekır bir uçak daha ağırlığa dayanmaz.

[FONT:0]Scaling[[Dönetici:0) Geleneksel inşaatın kullanıldığı sekiz kişilik bir faktör tarafından yararlı maaşları taşımak için kullanılır. Gelişmiş kompozit transüsler ve güç kapasitesi.Scaling yasaları da affetmez güneş uçaklarının aynı zamanda ozon ve ultraviyole radyasyon boyutları, dört ve hacimler üzerindeki bir faktör tarafından alanı arttırır.

Altitude and boks Constraints

Mevcut güneş enerjisi, enlem ve sezonla dramatik bir şekilde değişir. Yüksek çözünürlükte, kış aylarında sadece birkaç saat zayıf güneş ışığı sunar, büyük pil rezervleri olmadan sürekli operasyon imkansız hale getirir.En iyileştirici bölgelerde, en yüksek sıcaklık daha tutarlıdır, ancak atmosfer daha kalındır, panel verimliliğini azaltır. - 0,5C'den itibaren hem de uçaklarını doğrudan güneş ışığından, hem de operasyonel bir pencereye sahip olacağını kabul eder. Stratospheric operasyonu 18-25 km yukarıdaki hava durumu en yüksek sıcaklık azalır.

Ufukta Teknolojiler Gelişen

Birkaç yenilik yakınlığı asansörün ağırlığının yeniden ele geçirilmesini vaat ediyor.ETHFLT:0)Perovskite güneş hücreleri), uçuşta yapılan değişikliklerin aktif olarak L/D'de ölçeklendirilmesi ve yolcuya yüklenmesi, geleneksel kontrol boşluklarının cezası olmadan yüksek güç-to ağırlık oranlarının azaltılması için kullanılan yüksek enerji-k ağırlık oranlarının azaltılmasına yol açıyor.

Uygulamalar genişliyor. Facebook'un defunct Aquila projesi ve SoftBank'ın HAPSMobile girişimi (Uygarlık ile işbirliği) güneş destekli silahsız uçaklarını tüm bu durumlarda, uçağın operasyonel viability ve yüklerini doğrudan belirleme yeteneği ve yük yük taşımacılığı olmadan atmosferli yangınları takip edebilecekleri para birimini oluşturuyor.

Rejeneratif Enerji Sistemleri

Bir umut verici avenue, aksi takdirde boşanmış enerji yakalamak ve yeniden kullanmak için yenidenjeneratif enerji sistemlerinin entegrasyonudur. Örneğin, uzun süredir kullanılan güneş uçakları, periyodları alttaki rüzgar türbinleri olarak kullanabilir, enerji tasarrufu, bazı misyon profillerinde 10-20 oranında uzatılabilir.

Delicate Equilibrium'ı korumak: A Systems Perspektif

Sonuçta, güneş uçağında asansör ve sürüklenme arasındaki denge, her yüzeyin hem asansör hem de topladığı bir sistem seviyesindeki meydan okumadır.The Solar Impulse team's 64 günlük Zephyr uçuşları bu entegrasyon için test eder. Araştırma devam ettikçe, her yüzeyin hem de güç tasarrufu sağlar.

Mühendisler ve gözlemciler için, anahtar taksit, asansör ve sürüklenme, yenilmeye yetecek kadar güçlü değil, ancak her karar asansör ve kanat arasında bir pazarlık olmalıdır - ve tam olarak bu pazarlık yüzeyleri taşımak için yeterince güçlü bir uçuş, ancak en zarif mühendislik çabalarımızdan biri zamanımızın en değerli uçuşunu yapar.

Yüksek çözünürlükte güneş uçaklarının aerodinamiklerini okumak için, bkz.ETHFLT:0) Bu Enerjinin araç teknolojilerinin Doğası incelemesi) ve [[Dönetici tasarım optimizasyonu) üzerinde bu kağıt.