太阳能飞机以太阳能为能源,对环境无污染,使用灵活,成本低,目前出世的太阳能飞机已有英国的墨卡托、美国的太阳神、和SoLong以及阳光动力1号和阳光动力2号等。以下是太阳能飞机发展现状。
太阳能飞机大多采用比较传统的上单翼布局,平直机翼,无后掠角,翼展达到七十多米。太阳能飞机为了提高气动效率,大多采用大展弦比机翼,尤其像阳光动力二号这样进行环球航行的飞机,展弦比都在30左右。太阳能飞机一般安装多台直流电动机驱动的螺旋桨,使用上单翼布局可以使发动机的安装位置较高,桨叶不至于在起降时刮碰地面而造成损坏。飞机使用的发动机总功率并不是很大,因此飞机不得不做的尽量轻薄,看起来很大的飞机其实只有两三吨,仅仅相当于一辆家用小汽车。
太阳能飞机以直流无刷电动机驱动螺旋桨提供动力,这种推动方式广泛应用于低速飞机。太阳能飞机多采用分布式推进系统,并以直驱方式为主,只在小型太阳能飞机上采用减速驱动方式以提高螺旋桨效率。永磁直流无刷电机效率高,可动部件少,在太阳能飞机上得到了广泛的应用。长航时太阳能飞机多采用定矩螺旋桨,以减少可动部件。无刷电机的缺点是控制复杂,造价昂贵,在不同的飞行状态下,定矩螺旋桨和电机的匹配困难,降低了系统的效率。
太阳能飞机由于是靠功率相当有限的电动机提供动力,飞机的气动外形多较为传统,飞机的飞行速度不会太快,一般不会超过150km/h。有限的动力使飞机本身不能搭载过多的设备,目前最大的太阳能飞机阳光动力二号也仅有2300kg,这样简陋的环境使得飞行员在高空长航时的飞行相当艰苦。 飞机的结构强度比较低,机翼翼载荷也比较小,飞机极易受到气流的影响,航行时是比较危险的。如阳光动力二号为了减重,驾驶舱并未像民航飞机那样配备了增压和空调系统,所以当飞机达到8000米最大巡航高度的时候,舱内的环境会变得相当不舒适。还好有了超强绝热材料和特殊的飞行服保护,飞行员感受到的不会是从零上40℃到零下40℃的冰火两重天。每天的供给将是2.4千克食物、2.5升水和1升运动饮料。 这五天五夜里,飞行员的吃喝拉撒睡将都会在飞行座椅上完成。座椅不但集成了厕所,下面还有降落伞和救生筏以供不时之需。每隔几小时,飞行员将会被允许打一个十几分钟的盹。还好,座椅会有充气垫让飞行员完全展开双腿。民航飞行员借助自动驾驶仪可以放心地在飞行过程中休息,但是“阳光动力”2号这样的飞机翼载太低,于是对气流特别敏感,一不小心就会失控。所以即便有特别开发的自动驾驶仪和地面控制中心的实时监控,飞行员还是会在飞机姿态变化超过5°的时候被装在手腕上的振动器唤醒。
机体材料和前期投入也是一个相当大的问题。由于要用尽可能少的能源飞更远的距离,整架飞机的空气动力学布局采取了有着超高升阻比的滑翔机外形。细长的机翼给结构和材料提出了严苛的要求。最终,机翼里布置了碳纤维肋条,外表的蒙皮则采用了一种全新开发的树脂薄膜材料,厚度仅有17微米。除了机翼肋骨,机身的大部分骨架和硬质外壳也都采用了碳纤维材料,某些碳纤维板材每平方米的重量仅有25克,是普通打印纸的三分之一。这就使得飞机的造价相当高,阳光动力二号的造价竟然达到了1.6亿美元,远远超过美军四代战斗机F-35的价格。 太阳能飞机都使用单晶硅太阳能电池板来提供电力,这些太阳能电池板都铺设在飞机的机翼上表面。这些太阳能电池板加大了机身的重量,使得整个机翼的翼型发生很大变化,气动效率也随之降低。另外,太阳能电池板与机翼的贴合并不足够紧凑,使得机翼不够光滑,整个机翼上表面可能会出现乱流,进一步加大了飞行时的阻力。