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十万个为什么|飞机可以不落地吗?

2017-08-29 08:52 来源:科普中国网 
2017-08-29 08:52:18来源:科普中国网作者:责任编辑:白璐

十万个为什么|飞机可以不落地吗?

2006 年 2 月,史蒂夫·福塞特驾驶“环球飞行者号”喷气式飞机创造了不间断不加油飞行的世界纪录:76 小时 45 分钟,42 469 千米

  有一种飞机是靠接收微波来开动的,叫作微波动力飞机。微波就是微波炉里用来热饭菜的电磁波,它携带着能量,因此既可以加热饭菜,也可以给飞机提供动力。微波动力飞机不带燃料,只有一台直流电动机和微波接收整流装置。起飞时由蓄电池为电动机供电,待升高到空中后,电池关闭,地面上的微波发生器通过碟形天线发射微波,飞机上的特殊天线接收到微波并将其变成直流电,驱动电动机带动飞机螺旋桨旋转,这样飞机就靠微波作动力飞行了。这种飞机的飞行高度与地面微波的功率有关。

  微波动力飞机重量轻,工作效率高,由于飞机所需的电能是由地面供给,因此它在空中飞行可不受燃料的限制而长时间飞行。它在军事上可作为预警机使用。在民用方面,这种飞机可用来进行农业监测、天气预报等,还可以装上雷达和通信设备,作为广播、电视、通信的天上中转站。但是目前微波飞机的能量传输效率还比较低,还处于实验阶段。

  另一种不落地飞机的构想就是使用太阳能。从理论上说,只要能追上地球自转的速度,使自己永远暴露在阳光照耀下,太阳能飞机就能永久飞下去,直到部件达到寿命极限。但实际上,飞机要跟上地球的脚步,需要以接近2倍声速飞行,这只有在已经退役的“协和”超声速客机上才能体验到。因此,现实的太阳能飞机还必须面对黑夜的挑战。太阳辐射的能量密度很小,为了获得足够的能量,飞机上应有较大的接受阳光的表面积,以便铺设太阳能电池。因此太阳能飞机的机翼面积较大,重量也较重。

十万个为什么|飞机可以不落地吗?

“太阳驱动号”太阳能飞机

  2003年,瑞士探险家贝特朗·皮卡尔提出了太阳能飞机环球飞行构想,计划经过5次起降实现环球昼夜飞行。皮卡尔的团队制造了一架“太阳驱动号”太阳能飞机,其细长的翼展有63.4米,上面装了大约1.2万块太阳能电池片。这些太阳能电池不仅要为飞行提供动力,还要给400千克的锂电池充电,以使飞机在夜间正常飞行。整架飞机重1.6吨,相当于一辆中型轿车。

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美国国家航空航天局的“太阳神号”太阳能飞机

  2010年4月7日,“太阳驱动号”首飞成功。2010年7月,“太阳驱动号”成功实现了24小时不间断飞行。2012年6月,它完成了首次洲际飞行,从欧洲飞到非洲。到目前为止,太阳能飞机最长连续飞行时间的纪录由“太阳驱动号”创造,它在9千米的高空飞行了26小时 10分19秒。

  2013年5月初,“太阳驱动号”从美国西海岸的旧金山附近起飞,开始向东跨越美国的飞行。2015年,“太阳驱动号”将尝试环球飞行。

  不过,虽然飞机可以长时间不落地,但飞行员却不能永远不回家。为了满足人们对于不落地飞机的需求,世界各国普遍发展了长航时无人机。

  美国的“全球鹰”属于典型的长航时无人机,它可以轻松执行12小时以上的超长任务。由于取消了飞行员,与人相关的设备都可以取消,从而大大减轻了飞机的重量。例如,不用带氧气,也无需设置增压座舱,环境控制系统只需要考虑设备要求。而且,无人驾驶飞机不必承担损失飞行员的风险。

  在总体布局上,几乎所有的长航时飞机都采用细长的平直机翼。这种机翼虽然不适合高速飞行,但在低速状态下却拥有很高的升阻比,并且十分适合高空长时间飞行。除此之外,长航时无人机还广泛采用复合材料,以求降低飞机重量,延长飞行时间。

十万个为什么|飞机可以不落地吗?

“全球鹰”长航时无人机

  保证长航时飞行的另一个要点是提高载油系数,即燃料重量占飞机起飞重量之比。事实上,美国航空航天设计师鲁坦20世纪80年代在设计“航海家”飞机时,为了实现历史性的不加油环球飞行,就采用了极端高的载油系数。这架飞机最大起飞重量中超过72%是燃料。“全球鹰”也采用了类似的设计,而且由于不载飞行员,可以载更多的燃料,其载油量在6.5吨左右,载油系数大约是63%。目前,空中自动加油技术还在完善过程中,“全球鹰”没有配备相应的设备。为进一步提高航时和航程,美国未来很可能会给“全球鹰”这样的无人机增加空中加油能力。一旦具有了这样的能力,“全球鹰”有望在空中逗留3天以上。

  为了能够更有效地利用燃料,“全球鹰”还采用了高性能的小型涡扇发动机。该发动机具有很高的可靠性和燃油经济性。在上述气动布局、高载油系数和高性能发动机的保证下,“全球鹰”的最大航程可超过25 900千米,自主飞行时间长达约42小时,可以完成洲际飞行。2001年4月,“全球鹰”完成了从美国到澳大利亚的越洋飞行创举,表现了非常强劲的洲际侦察能力和自动部署能力。肖刚

[责任编辑:白璐]


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