ソーラー飛行機の仕組み

ソーラー飛行機と従来の飛行機

前述したように、ソーラー飛行機は主に監視船です。一方、ボーイングの 747-400 はデトロイトから東京まで飛行し、数百人の乗客を乗せてそこそこの燃費で飛行します。対照的に、F-22A ラプターはアメリカ空軍の戦闘機です。高速、機敏、静か、そしてほとんど目に見えないように設計されています。これらが基本的な違いです。さらに詳しく調べるために、これらの飛行機を向かい合わせ、または翼同士を並べてみましょう。

多くの太陽飛行機は空飛ぶ定規のような形をしています。たとえば、NASA のヘリオス飛行機は翼長 247 フィート (75 メートル) ですが、長さはわずか 12 フィート (3.7 メートル) です。 F-22A ラプターはスペード型のずんぐりした飛行機で、翼幅は 44.5 フィート (13.6 メートル)、長さは 62 フィート (18.9 メートル) です 。

他の飛行機と比較すると、ソーラー飛行機は実質的には凧です。ランニングトスを使って手で空中に打ち上げるものもあります。それにはヘリオスは重すぎる。重さは最大で 2,048 ポンド (929 キログラム) あり、高価で軽くて丈夫な素材、つまり発泡スチロールで作られています 。驚くべきことに、飛行機全体が曲がります。 （詳しくは後述します。）ラプターの重さは 83,500 ポンド（37,875 キログラム）という恐るべき重さで、間違いなく曲げることはできません。 747 の重量は、貨物倉内のすべての荷物を含めて、最大 875,000 ポンド (396,893 キログラム) です。

ソーラー飛行機には、最大 14 個の多数の電動プロペラが搭載されており、それがすべての推進力となります。もちろん、電動プロペラはジェットエンジンの次には枯れてしまいます。ラプターのジェット エンジンは、総推力 70,000 ポンド (311,500 ニュートン) で前方に発射します。

レースでどちらが勝つかは驚かないでしょう。無公害の太陽電池飛行機で環境は微笑みますが、スピードの神はそうではありません。低高度を巡航する場合、ヘリオスは時速 27 マイル (時速 43.5 キロメートル) を超えて移動しません。

ラプターは操縦性でも優れています。 747 とヘリオスは回転、ピッチング、速度変更が可能ですが、ラプターは回転するループ・ザ・ループで飛行できます。

これまでのところ、距離では 747 が勝っています。ソーラー飛行機の最長距離飛行は163マイル（262キロメートル）だった。ラプターの最大航続距離は 1,841 マイル (2,963 キロメートル) ですが、747 の飛行距離は 8,355 マイル (13,446 キロメートル) です。

ソーラー飛行機は、おそらくあなたが考慮したことのないカテゴリー、つまり長寿命で勝利を収めています。ジェット機は燃料を補給するために着陸しなければなりません。ソーラープレーンにはその必要はありません。バッテリーが充電されている限り、一晩中飛び続けることができます。 3 日以上飛行することで、ソーラー飛行機はすでにジェット機を超えており、多くのソーラー飛行機メーカーは数か月から数年という目標を共有しています。

ソーラープレーンが他の航空機とどのように比較できるかがわかったので、その設計を詳しく見てみましょう。

ソーラー飛行機の設計

ソーラー飛行機には多くのものは搭載されていません。それらはばかばかしいほど平らで薄いため、風に吹かれて飛ばされるのではなく、持ち上げられるようになっています。ボディは強くて軽く、フレームにはカーボンファイバーパイプが使用され、その上にケブラーのような丈夫な生地が張られています。構造のどこかに、飛行機の回転を妨げる「X」または「V」の文字が表示されます。

ほとんどの飛行機は夜間はバッテリーで動作しますが、燃料電池を使用する飛行機もあります。バッテリーは軽くてエネルギーがあり、通常はシート状に配置されます。現在の耐久記録を保持している QinetiQ のソーラープレーン「Zephyr」は、シート状のリチウム硫黄電池で動作します 。バッテリーはプロペラを回転させるモーターに接続されています。

飛行機の皮膚であり心臓部であるソーラーパネルも見逃せません。人工衛星やソーラーハウスに搭載されている硬くてかさばるソーラーパネルとは異なります。これらのパネルは厚さが数ミリメートルで、丸めるのに十分な柔軟性があり、信じられないほど効率的で高価です 。ソーラーパネルもプロペラに配線されています。

飛行機には光、電圧、風センサーが搭載されており、その情報をパイロットに伝える手段が備わっている。

車輪がどこにあるのか疑問に思っても、心配する必要はありません。 「一部のソーラー飛行機は基本的に、飛行中に着陸装置が必要ないために脱落します。飛行機は横滑りしたり、不時着したりする可能性があります。エンジニアは、想像できるあらゆる重量を軽減しています」とジョン氏は言います。デル・フレート氏はNASAドライデン飛行研究センターのエンジニア。

一部のソーラー飛行機は、真のUAV 、つまり無人航空機です。離陸と着陸以外は自動操縦で飛行機を操縦します。パイロットは搭載システムを使用して飛行機を追跡し、地上からモーターを制御します。無人飛行機には、NASA の故ヘリオス、ゼファー、オーロラ フライト サイエンスのオデュッセウス、サンライト イーグルが含まれます。

他のソーラープレーンはパイロットをサポートできます。操縦されたソーラー航空機の例としては、NASA と AeroVironment の退役した Gossamer Penguin と Solar Challenger、および地球一周を目指す別のグループの Solar Impulse があります。

空飛ぶソーラー飛行機

ソーラープレーンの飛行はチェックから始まります。バッテリーを確認してください — 充電されているはずです。地上の風を確認してください。時速約 10 マイル (時速 16 キロメートル) を超えないようにしてください。そうでないと、飛行機が滑走路に墜落する可能性があります。飛行機は乱流の層を通って上昇する必要があるため、空気の乱気流を確認してください。雲のうねりは悪い兆候です。 「風は敵だ」とデル・フラーテは言う。

太陽が頭上にあり、日中に十分な太陽光が残っている午前中が離陸に最適です。滑走路としては、サッカー場 3 つ分より少し長い円が必要になります。これは、平均的な空港の滑走路よりも 10 倍短いです。次に、その円を使用して、離陸のために飛行機の角度を設定します。風が正面から吹くように飛行機の向きを変えますが、決して横切ることはありません。横風は、飛行機を望まない方向に飛ばす可能性があるため、ほとんどのソーラープレーンに破壊をもたらします。

プロペラがオンラインになると、バッテリー電力と太陽エネルギーの組み合わせによってプロペラが回転し始め、飛行機は回転する (または手で空中に投げられる) 準備が整います。デル・フレート氏は、離陸は通常、太陽光発電で行われるため、「飛行機は自転車の速度で離陸します」と話す。パイロットとして、通常は地上で、影を避け、太陽が最大限に当たるように操縦して、バッテリーの電力を節約します。

飛行機はゆっくりと上昇していきます。中央のプロペラの速度を上げ、上に傾けることで上昇します。 35,000 フィート (10.6 キロメートル) ほどで、ジェット気流にぶつかります。持続する。この空の乱流の層では、NASA のヘリオスのような飛行機が、風によって平らな状態から劇的な「U」字型に曲がることがあります。飛行機が曲がらなかったら、風で引き裂かれる可能性があります。この飛行機は、747 型機が巡航するここにとどまることはできません。乱風で命を落とさなければ、ジェット気流で飛ばされてしまうからです。

ジェット気流の上で、ふわふわとした雲を避けてください。彼らは太陽を遮ります。方向転換は、飛行機の片側のプロペラの速度を上げるのと同じくらい簡単です。高度 40,000 フィート (12 キロメートル) までに、太陽を遮らない氷の巻雲が広がる静止した層である成層圏に入ります。最後に、65,000 フィート (20 キロメートル) まで到達すると、静寂の中でリラックスして、実質的に滑空できるようになります。一晩起きている場合は、プロペラを動作させるためにバッテリーが充電されていることを確認してください。そうしないと、高度が下がり始めます。

ソーラー飛行機は飛行中、バッテリーと太陽光発電を自動的に切り替えます。太陽があるときはプロペラを動かし、バッテリーや燃料電池を充電します。バッテリーをより速く充電するには、パイロットの飛行を遅くすることができます。夜間や雲の中では、プロペラはバッテリーまたは燃料電池のみで動作します。

着陸の時間になったら、電源を切ってプロペラを停止します。ソーラー飛行機は滑空しながら降りていきます。技術者たちは着陸速度よりも効率よく飛行できるようにしたいと考えています。 「彼らは非常にゆっくりと降下します」とデル・フラーテ氏は言う。 「着地に持ち込もうとするときは、掴んで引き下ろしたいものです。」

ソーラーエアクラフトの環境上の利点

多くの研究者は、ソーラー飛行機を空に駐機させることが有益であると述べています。カメラやその他のセンサーを搭載して、ある場所の上をホバリングすることができます。成層圏では、オゾン層近くのガスをサンプリングできます。森林火災を監視したり、地上でハリケーンを追跡したりすることもできます。

軍にとって、ソーラー飛行機は偵察に役立ちます。偵察機のように高く飛ぶため、ステルス性が高くなります。しかし、偵察機は上空を飛んで戻ってこなければなりませんが、ソーラー飛行機は瞬きをしない目です。何年も途切れることなく写真やビデオを撮影できます。 「出来事が起こったとき、彼らはそれに至るまでのすべてを研究することができます」とデル・フレート氏は言います。法執行機関にとっては、国境や港のパトロールに適しています。

確かに衛星はこれらのタスクの一部を実行できます。しかし、ソーラー飛行機は、より現場に近いため、より安価なカメラで地上の詳細を確認できます。また、構築と立ち上げのコストも低くなります。人工衛星は一度軌道上に乗ると移動するのが難しいですが、ソーラー飛行機は簡単に移動できます。メンテナンスのためにソーラープレーンを降ろすのも簡単です。

ソーラー飛行機は電気で動くため、排気ガスを排出しません。民間航空機はそうします。 1992 年、航空機は 5 億トンの CO _{2 を}排出しました。これは人間による CO ₂排出量の 2% に相当します。いずれにせよ、ソーラー飛行機はおそらく多くの乗客を運ぶのに十分な電力を持たないため、クリーンな旅客機になることはできません、とデル・フレート氏は言います。

F-22A ラプターや U-2 偵察機などの成層圏ジェット機も排気ガスを排出します。それらは成層圏に放出され、そこではガスが私たちの下の対流圏よりも長く存続しますが、大気汚染、オゾン層破壊、地球温暖化への影響は徹底的に測定されていません。これらの飛行機のように加速して操縦できるソーラー飛行機が実現するのは、何年も先の話です。したがって、現時点でソーラー飛行機が他の飛行機に代わる環境に優しい代替品であるかどうかについて話すのは現実的ではありません。それでも、現在の用途にとってはクリーンな手段です。

デル・フレート氏によると、ソーラー飛行機の驚くべき利点は、ソーラーパネルメーカーが大型の高効率パネルを搭載したソーラー飛行機を年間十数機供給すれば、家庭用の高効率パネルのコストが下がることだという。

ソーラーエアクラフトに関する懸念

「人々は自分たちが飛べるようになるとは思っていなかったということを覚えています。飛行機が飛行記録を樹立した後、そうした批判者たちは沈黙しました」とデル・フラーテ氏は言う。しかし、批評家たちは依然としてソーラー飛行機を問題視している。

「批評家はこれらの飛行機が壊れやすいと指摘する傾向があります」とデル・フレート氏は言う。 NASAのパスファインダー飛行機は、NASAの格納庫内でドアから吹き込む風によって損傷したという。 「私たちは必要な強度だけを作り込んでいます。それ以上のものは作りません。軽くて、材料も最小限に抑えられています。それには理由があります。」

ウェハーほど薄い飛行機に 2,000 万ドルを支払うのは想像しにくいですが、それはソーラー飛行機のコストとほぼ同じです。デル・フレート氏によると、ソーラーパネルだけでコストの約半分を占めるという。しかし、大局的に見てみると、ボーイング 747 の価格は 2 億 3,400 万ドルからです 。

飛行機は重量物を運ぶものではありません。これまでに作られた最強のものは、パイロットを 1 名乗せることができます。 「ペイロードがほとんど積まれていないとしたら、何の意味があるのでしょうか？」とデル・フレート氏は批評家の意見を要約して言う。同氏は、ソーラープレーンにはセンサーやカメラを搭載できるが、それらは軽く、さらに軽量化が進んでいると指摘する。 「携帯電話でできることを見てください。重さはほとんどありません。」

これまでのところ、ソーラー飛行機には特別な飛行条件が必要です。バッテリーのおかげで夜間や日陰を移動することはできますが、飛行機は嵐の中で離陸したり飛行したりすることはできません。強風では離陸できません。彼らは積雲や空の乱流の層の中に留まることができません。

「批評家は、それらが1年のうち9か月しか役に立たないことを指摘するだろうが、それは正しい」とデル・フレート氏は言う。冬の間は日が短く夜が長いため、飛行機は起き続けるのに苦労します。太陽は地平線に近く、ソーラーパネルは通常真上を向いているため、飛行機は空中に留まるのに十分な太陽光を集めるのに苦労します。設計者は、どこにいても太陽が当たるようにソーラー パネルを角度を付けて設置し、折りたたみ飛行機を計画している人もいます。