Hoe Zonnevliegtuigen Werken

{h1}

Zonnevliegtuigen kunnen het brandstofverbruik drastisch verlagen. Ga naar WordsSideKick.com voor informatie over zonnevliegtuigen.

Zonne-energie is overvloedig en oneindig hernieuwbaar. Daarom is het niet verrassend om te zien dat er steeds meer apparaten op de zon zijn aangesloten. Van zonne-tuinverlichting tot woningen en bedrijven met zonne-energie, veel mensen kunnen profiteren van de energie die de zon te bieden heeft. Maar je zou kunnen denken dat zonnewerende lampen niet zo opwindend zijn (hoewel de wetenschap erachter kan zijn) en misschien vraag je je af wat er nog meer is. Zou je zonnevliegtuigen geloven?

Hoewel ze al sinds de jaren zeventig vliegen, hebben zonnevliegtuigen zo ver onder je radar gevlogen dat ze nieuw klinken. Een zonnevliegtuig kan je een behoorlijk geweldige rit kosten. Je zou 's morgens moeten beginnen en wachten tot de wolken opruimen. Propellers zoemend, het vliegtuig zou reizen met geeuw-inducerende traagheid langs de startbaan. Terwijl de wind het vliegtuig opving, zou je zo langzaam opstijgen dat je nauwelijks op je stoel zou worden gedrukt.

Je zou boven vogels klimmen, boven Mount Everest, boven commerciële jets en boven militaire spionvliegtuigen (NASA en AeroVironment's Helios klommen naar 96.664 feet [29.524 meter]). Je zou je in de stratosfeer vestigen, de thuisbasis van ijzige cirruswolken.

Hoe leuk zo'n joyride ook klinkt, zonnevliegtuigen zijn ontworpen voor andere doeleinden. Omdat het in feite laagvliegende satellieten zijn, had de NASA het in eerste instantie de bedoeling hen als communicatieplatforms over steden te parkeren, maar dat was voordat we veel mobiele telefoontorens hadden. Nu kijkt het leger naar zonnevliegtuigen voor toezicht. Ze kunnen in theorie jarenlang blijven. In werkelijkheid zijn de statistieken er echter nog niet: het record is twee weken (echt waar!) Zonder landing, ingesteld door QinetiQ's onbemande "Zephyr." Voor bemande vliegtuigen is het record echter 26 uur, 10 minuten en 19 seconden, in het bezit van het Zwitserse vliegtuig Solar Impulse.

Met dergelijke records aan hun kant hopen sommige organisaties de houding te veranderen dat zonne-energie zwak en inefficiënt is.

Waarschijnlijk de gemakkelijkste manier om te begrijpen hoe zonnevliegtuigen werken, is door ze te vergelijken met meer gewone vliegtuigen in de lucht. We kijken naar één commerciële straal - Boeing's 747-400 - en één militaire jet - de F-22A Raptor.

Hoe zonnevliegtuigen werken: niet

Solar versus traditionele vliegtuigen

Zoals eerder vermeld, zijn zonnevliegtuigen meestal bewakingsvaartuigen. Boeing's 747-400, aan de andere kant, vliegt van Detroit naar Tokio en vervoert honderden passagiers met een behoorlijk brandstofrendement. En de F-22A Raptor daarentegen is een jachtvliegtuig voor de Amerikaanse luchtmacht. Het is ontworpen om snel, wendbaar, stil en bijna onzichtbaar te zijn. Dit zijn de basisverschillen. Laten we deze vliegtuigen recht tegenover elkaar plaatsen, of van vleugel tot vleugel om er nog meer achter te komen.

Veel zonnevlakken hebben de vorm van vliegende linialen. Het Helios-vliegtuig van NASA bijvoorbeeld, heeft een spanwijdte van 75 meter (247 voet) maar is slechts 12 voet (3,7 meter) lang [bron: NASA]. De spanwijdte van een 747 is korter, op 211 voet (64,3 meter), en de romp is ongeveer de lengte van zijn spanwijdte [bron: Boeing]. De F-22A Raptor is een schopvormig, stompe vliegtuig, 13,6 meter over de vleugels en 62 voet (18,9 meter) lang [bron: Lockheed Martin].

In vergelijking met de andere vlakken zijn zonnevliegtuigen praktisch vliegers. Sommigen worden met de hand gelanceerd met een rennende bal de lucht in. Daar is de Helios te zwaar voor. Het weegt maximaal 2.048 pond (929 kilogram), gemaakt van prijzig, licht en sterk materiaal - en piepschuim [bron: NASA]. Verbazingwekkend genoeg buigt het hele vliegtuig. (Daarover later meer.) Een Raptor weegt een formidabele 83.500 pond (37.875 kilogram) en is absoluut niet buigbaar. De 747 weegt tot 875.000 pond (396.893 kilogram), inclusief alle bagage in het vrachtruim.

Je vindt veel elektrische propellers - tot 14 - op een zonnevliegtuig, en dat is alles van zijn voortstuwing. Natuurlijk, elektrische propellers verwelken naast straalmotoren. De straalmotoren van de Raptor schieten naar voren met 70.000 pond (311.500 Newton) totale stuwkracht [bron: Lockheed Martin]. De twee motoren van een 747 verplaatsen het met maximaal 126.600 pond totale stuwkracht (563.145 Newton) [bron: Boeing].

Je zou niet verbaasd zijn als je zou winnen in een race. Terwijl de omgeving lacht op vervuilingsvrije zonnevliegtuigen, doen de goden van snelheid dat niet. Bij het cruisen op lage hoogten reist de Helios niet meer dan 27 mijl per uur (43,5 kilometer per uur) [bron: NASA]. Een 747 cruises op 567 mijl per uur (913 kilometer per uur), en de Raptor kan dichtbij Mach 2 [bron: Boeing, Lockheed Martin] reiken.

De Raptor wint ook op manoeuvreerbaarheid. Terwijl de 747 en de Helios kunnen draaien, pitchen en hun snelheden kunnen veranderen, kan de Raptor een draaiende loop-the-loop vliegen.

Tot nu toe wint de 747 op afstand. De verste vlucht voor een zonnevliegtuig was 163 mijl (262 kilometer). Het maximale bereik van de Raptor is 1.843 kilometer, terwijl de 747 8.355 mijl (13.446 kilometer) kan vliegen [bron: Lockheed Martin, Boeing].

Zonnevlakken winnen in een categorie die je waarschijnlijk niet hebt overwogen - levensduur. Jets moeten landen om te tanken. Zonnevlakken hoeven niet. Ze kunnen omhoog blijven zolang hun batterijen zijn opgeladen om ze de hele nacht door te krijgen. Door langer dan drie dagen omhoog te blijven, hebben zonnevliegtuigen al jets overschreden en veel fabrikanten van zonnepanelen delen het doel van maanden tot jaren.

Nu je weet hoe een zonnevliegtuig het opneemt tegen andere vliegtuigen, laten we het ontwerp eens nader bekijken.

Beperkt door de zon

De zonne-energie die een vierkante voet panelen op een zonnevliegtuig in een uur raakt is klein in vergelijking met de energie in een liter vliegtuigbrandstof. Zonnepanelen zetten ook minder zonne-energie om - tussen 10 en 20 procent - naar elektrisch vermogen om de schroeven te laten draaien, in vergelijking met de hoeveelheid verbranding in een straalmotor die van toepassing is om een ​​straal vooruit te duwen. Uiteindelijk levert één vierkante voet (0,09 vierkante meter) zonnepanelen drie tot zes keer minder stroom op dan je nodig hebt om een ​​60-watt gloeilamp aan te steken, zodat je kunt zien waarom ingenieurs het vliegtuig met panelen bedrukken en proberen het te houden licht [bron: Del Frate].

Solar Aircraft Design

Zonne-vliegtuigen hebben niet veel aan boord. Ze zijn belachelijk plat en dun en nodigen de wind uit om ze op te tillen in plaats van ze omver te gooien. Het lichaam is sterk en licht, vaak gemaakt van koolstofvezelbuizen voor het frame, met een sterke stof zoals Kevlar eroverheen gespannen. Ergens in de structuur ziet u een 'X' of 'V', waardoor het vliegtuig niet kan rollen.

De meeste vliegtuigen rijden 's nachts op batterijen, hoewel sommigen brandstofcellen hebben gebruikt. De batterijen zijn licht en energiek en worden meestal in een laken gerangschikt. Het zonnevliegtuig "Zephyr" van QinetiQ, dat het huidige uithoudingsvermogenrecord vasthoudt, draait op een vel lithium-zwavelbatterijen [bron: Bush]. De batterijen zijn aangesloten op motoren die propellers draaien.

Je kunt de zonnepanelen, die de huid en het hart van het vliegtuig zijn, niet missen. Ze zijn anders dan de stijve, omvangrijke zonnepanelen op satellieten of een zonnewoning. Deze panelen zijn millimeter dik, flexibel genoeg om te rollen en zijn ongelooflijk efficiënt en duur [bron: Bush, USO]. De zonnepanelen zijn ook aangesloten op de propellers.

Aan boord vervoert het vliegtuig licht-, spanning- en windsensoren en het heeft een methode om die informatie door te geven aan de piloot.

Als je je afvraagt ​​waar de wielen zijn, hoef je je niet druk te maken. "Sommige zonnevliegtuigen laten tijdens de vlucht het landingsgestel in principe vallen, omdat je ze niet nodig zult hebben." Het vliegtuig kan landen op skids of crash-land. "Engineers ontdoen zich van elk beetje gewicht dat je je maar kunt voorstellen", zegt John Del Frate, een ingenieur bij NASA's Dryden Flight Research Center.

Sommige zonnevliegtuigen zijn waar UAVs, of Onbemande luchtvoertuigen. Met uitzondering van het opstijgen en landen, vliegt een automatische piloot door het vliegtuig. Piloten gebruiken systemen aan boord om het vliegtuig te volgen en de motoren vanaf de grond te besturen. Onbemande vliegtuigen zijn NASA's overleden Helios, de Zephyr en Aurora Flight Sciences 'Odysseus en SunLight Eagle.

Andere zonnevlakken kunnen een piloot ondersteunen. Voorbeelden van bestuurde zonnevliegtuigen zijn de gepensioneerde Gossamer Penguin en Solar Challenger van NASA en AeroVironment en de Solar Impulse van een andere groep, die als doel heeft om de wereld rond te reizen.

Vreemde zonne-energie

De Odysseus, verzonnen door Aurora Flight Sciences, is nog steeds in ontwerp. In simulaties vertrekken er drie segmenten van het vliegtuig vanaf de startbaan. Met de segmenten die samenkomen, bouwt het vliegtuig zichzelf op in de lucht. Om de zon vanuit meer hoeken te vangen, vouwt het vlak zich als een accordeon.

U bent misschien sceptisch, maar de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) is dat niet. Het koos de Odysseus uit voor zijn Gierprogramma, dat vijf jaar lang tracht een vliegtuig onafgebroken te laten vliegen, terwijl het 454 kilogram aan [bron: DARPA] transporteert.

Vliegende zonne-vliegtuigen

Helios heeft veel propellers.

Helios heeft veel propellers.

De vlucht van een zonnevliegtuig begint met controles. Controleer de batterij - deze moet worden opgeladen. Controleer de grondwinden. Ze mogen ongeveer 10 mijl per uur (16 kilometer per uur) niet overschrijden, anders kan het vliegtuig op de startbaan crashen. Controleer op turbulentie in de lucht, want het vliegtuig zal moeten opstijgen door de turbulente lagen. Billows in the clouds zijn een slecht teken. "Wind is je vijand", zegt Del Frate.

De ochtend is het beste om op te stijgen, wanneer de zon boven staat en er voldoende zonlicht overdag is. Als een landingsbaan heb je een cirkel nodig van iets meer dan drie voetbalvelden, die tien keer korter is dan een gemiddelde landingsbaan op de luchthaven. Vervolgens buigt u het vliegtuig in voor het opstijgen, met behulp van die cirkel. Je richt het vliegtuig zodat de wind rechtdoor gaat, maar nooit erover. Zijwinden spellen vernietiging voor de meeste zonnevlakken omdat ze het vliegtuig in ongewenste richtingen kunnen gooien.

Wanneer de propellers online zijn, kan een combinatie van batterijvoeding en zonne-energie ze laten draaien en is het vliegtuig klaar om te rollen (of met de hand in de lucht te worden gegooid). "Het vliegtuig vertrekt op fietssnelheid", zegt Del Frate, omdat het opstijgen meestal gebeurt op zonne-energie. Als piloot, meestal op de grond, vermijdt u schaduwen en stuurt u naar maximale zon om het vermogen van de batterij te behouden.

Het vliegtuig stijgt langzaam. Je laat het opstijgen door zijn centrale propellers te versnellen en het omhoog te kantelen. Op zo'n 35.000 voet (10,6 kilometer) heb je de jetstream geraakt. Wacht even. In deze turbulente hemellaag kunnen vliegtuigen zoals NASA's Helios zich buigen, van vlak tot een dramatische "U", met de wind. Als het vliegtuig niet zou buigen, zou de wind het uit elkaar kunnen scheuren. Het vliegtuig kan hier niet blijven, waar 747's rondvaren, omdat als de turbulente wind het niet doodt, de straal het zal wegvoeren.

Boven de straalstroom, ontwijk de gezwollen wolken; ze blokkeren de zon. Draaien is net zo eenvoudig als het versnellen van de propellers aan één kant van het vliegtuig. Met 40.000 voet (12 kilometer) ben je de stratosfeer binnen gegaan, een stille laag met ijzige cirruswolken die je zon niet blokkeren. Eindelijk, op 65.000 voet (20 kilometer), kunt u ontspannen in stilte en praktisch glijden. Als u van plan bent om 's nachts op te blijven, zorg er dan voor dat uw accu is opgeladen om de schroeven te laten draaien. Anders begin je hoogte te verliezen.

Tijdens de vlucht schakelt een zonnevliegtuig automatisch tussen batterij en zonne-energie. Wanneer er zon is, worden de propellers aangedreven en worden de batterijen of brandstofcellen opgeladen. Om de batterij sneller op te laden, kan de piloot langzamer vliegen. 'S Nachts of in de wolken draaien de propellers alleen op de batterij of brandstofcellen.

Wanneer het tijd is om te landen, knip dan de kracht om de schroeven te stoppen. Zonnevlakken glijden neer - ingenieurs maken ze liever efficiënte vliegers dan snel bij landen. "Ze dalen extreem langzaam af," zegt Del Frate. "Wanneer je iemand probeert binnen te brengen voor een landing, wil je hem pakken en naar beneden halen."

Milieuvoordelen van zonnevliegtuigen

Het is moeilijk om je voor te stellen dat je 20 miljoen dollar betaalt voor een vliegtuig dat zo dun is als een wafer, maar dat is ongeveer wat zonne-vliegtuigen kosten.

Het is moeilijk om je voor te stellen dat je 20 miljoen dollar betaalt voor een vliegtuig dat zo dun is als een wafer, maar dat is ongeveer wat zonne-vliegtuigen kosten.

Veel onderzoekers zeggen dat het nuttig is om een ​​zonnevliegtuig in de lucht te parkeren. Het kan boven een plek zweven, met camera's of andere sensoren. In de stratosfeer kan het gassen in de buurt van de ozonlaag bemonsteren. Het kan ook bosbranden bekijken of orkanen op de grond volgen.

Voor het leger kunnen zonnevliegtuigen helpen met verkenning. Net als spionvliegtuigen vliegen ze hoog, waardoor ze onopvallend zijn. Maar terwijl spionvliegtuigen moeten vliegen en terugkeren, zijn zonnevliegtuigen ogen die niet knipperen. Ze kunnen jarenlang ononderbroken foto's of video's maken. "Wanneer een gebeurtenis plaatsvindt, kunnen ze alles bestuderen wat er toe heeft geleid", zegt Del Frate. Voor rechtshandhaving zijn ze goed voor grens- en havenpatrouilles.

Het is waar dat satellieten sommige van deze taken kunnen uitvoeren. Maar zonnevliegtuigen zien meer detail op de grond met minder dure camera's omdat ze dichter bij de actie staan. Ze zijn ook minder duur om te bouwen en te lanceren. Terwijl satellieten moeilijk te verplaatsen zijn als ze in een baan zijn, kunnen zonnevliegtuigen gemakkelijk worden verplaatst. Het is ook gemakkelijker om zonnevliegtuigen neer te zetten voor onderhoud.

Zonnevliegtuigen, die elektrisch zijn, stoten geen uitlaatgassen uit. Commerciële vliegtuigen doen dat. In 1992 stootten vliegtuigen 0.5 miljard ton CO uit2of 2 procent van menselijk CO2 emissies [bron: IPCC]. Hun uitlaat bevat veel stoffen die verband houden met gezondheids- en milieueffecten, hoewel het Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) hun niveaus regelt en gezondheidseffecten in de buurt van luchthavens worden bestudeerd [bron: EPA, Wachter]. Hoe dan ook, zonnevliegtuigen kunnen geen schone passagiersvliegtuigen worden omdat ze waarschijnlijk nooit genoeg stroom zullen hebben om veel passagiers te vervoeren, zegt Del Frate.

Stratospherische stralen, zoals de F-22A Raptor en U-2 spionvliegtuigen, stoten ook uitlaat uit. Terwijl ze het uitstoten in de stratosfeer, waar gassen langer aanhouden dan in onze troposfeer hieronder, is hun bijdrage aan luchtvervuiling, ozonafbraak en het broeikaseffect niet grondig gemeten. Zonne-vliegtuigen die kunnen accelereren en manoeuvreren zoals deze vliegtuigen zijn vele jaren vrij. Dus op dit moment is het niet praktisch om te praten over zonnevliegtuigen als milieuvriendelijke alternatieven voor andere vliegtuigen. Toch zijn het schone voertuigen voor hun huidige toepassingen.

Een verrassend voordeel van zonnevliegtuigen, zegt Del Frate, is dat als zonnepaneelfabrikanten een dozijn zonnevliegtuigen per jaar leveren met grote, hoogefficiënte panelen, de kosten van uiterst efficiënte panelen voor uw huis zouden dalen.

Het is een vogel! Het is een vliegtuig!

"Iemand heeft mij ooit gevraagd, hoe zit het met vogels? Maak je je zorgen over het slaan van een vogel ?," herinnert John Del Frate zich. "Ik moest lachen, een vogel kan een van deze dingen uitvluchten: een vogel kan tijdens het vliegen een nest maken op een van deze dingen!" Omdat het moeilijk is om een ​​zonnevliegtuig uit de weg te houden, werken piloten samen met de FAA om vluchten te plannen weg van andere vliegtuigen. Gelukkig vliegen maar heel weinig vliegtuigen op 65.000 voet (20 kilometer).

Zorgen over zonnevliegtuigen

"Ik herinner me dat mensen nooit dachten dat ze zouden kunnen vliegen. Nadat de vliegtuigen vluchtrecords hadden opgesteld, werden die critici tot zwijgen gebracht", zegt Del Frate. Maar critici houden zich nog steeds bezig met zonnevliegtuigen.

"Critici wijzen er vaak op dat deze vliegtuigen fragiel zijn", zegt Del Frate. NASA's Pathfinder-vliegtuig werd binnenin een NASA-hangar beschadigd door wind die door de deur blaast, zegt hij. "We bouwen de nodige kracht in en niet meer. Ze zijn licht en zeer minimaal op materiaal - met een reden."

Het is moeilijk om je voor te stellen dat je 20 miljoen dollar betaalt voor een vliegtuig dat zo dun is als een wafer, maar dat is ongeveer wat zonne-vliegtuigen kosten. Volgens Del Frate zijn de zonnepanelen alleen goed voor ongeveer de helft van de kosten. Maar om het in perspectief te plaatsen, een Boeing 747 begint bij $ 234 miljoen [bron: Boeing].

De vliegtuigen zijn geen zware lifters; de sterkste die tot nu toe is gebouwd, kan één piloot dragen. "Als ze nauwelijks nuttige lading dragen, wat is dan het nut?", Vat Del Frate samen wat critici zeggen. Hij wijst erop dat zonnevliegtuigen sensoren en camera's kunnen vervoeren, die licht zijn en lichter worden. "Kijk naar wat al je mobiele telefoon kan doen, hij weegt bijna niets."

Tot dusverre hebben zonnevliegtuigen speciale vluchtomstandigheden nodig. Terwijl de batterijen ze door de nacht en de schaduw kunnen dragen, kunnen de vliegtuigen niet opstijgen of in stormen vliegen. Ze kunnen niet opstijgen in harde wind. Ze kunnen niet in cumuluswolken of in turbulente lagen van de lucht verblijven.

"Critici zullen erop wijzen dat ze slechts negen maanden per jaar nuttig zijn, en ze hebben gelijk", zegt Del Frate. Tijdens de winter worstelen de vliegtuigen om op te blijven, met dagen kort en nachten lang. Omdat de zon dicht bij de horizon staat en de zonnepanelen meestal recht omhoog wijzen, worstelt het vliegtuig om genoeg zonlicht te verzamelen om omhoog te blijven. Ontwerpers vissen en plaatsen zonnepanelen om de zon op te vangen, waar ze zich ook bevinden - en sommigen plannen vouwvliegtuigen.

Helios, opgeteld door Turbulence

Turbulentie heeft het Helios-vliegtuig van NASA waarschijnlijk neergehaald tijdens een test in Hawaï.Het begon allemaal toen de wervelende wind op 2.800 voet (853 meter) de vleugels omhoog boog, waardoor het vliegtuig naar beneden kantelde [bron: Noll et al]. "Het begon te oscilleren in toonhoogte - neus omhoog, neus omlaag, neus omhoog, neus naar beneden - en elke keer dat het oscilleerde, verdubbelde het zijn snelheid. Toen het drie keer sneller ging dan het was ontworpen om te vliegen, de zonnecellen begon te strippen. Vrij snel verloren we alle lift, en het viel in de Stille Oceaan, "zegt Del Frate.


Video Supplement: Deze bokstrainer hield al 15 Syriëgangers tegen | NOS op 3.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com