乘著陽光環(huán)球飛行

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當(dāng)瑞士探險(xiǎn)家貝特朗·皮卡爾1999年成功完成氣球環(huán)球旅行之時(shí)，他便開始有了要駕駛完全利用可再生能源驅(qū)動的飛機(jī)進(jìn)行環(huán)球飛行的計(jì)劃。當(dāng)時(shí)沒人相信這個(gè)計(jì)劃會成功，除了一個(gè)人：安德烈·博爾施貝格。這位麻省理工學(xué)院的畢業(yè)生同樣相信“人類的意志加上新技術(shù)可以真正改變世界”。當(dāng)貝特朗和安德烈尋找業(yè)內(nèi)航空制造公司提出需要一架達(dá)到波音747的尺寸但重量不能超過一部小汽車、可以晝夜不停飛行的太陽能飛機(jī)時(shí)，他們被明確告知這是不可能的。十四年后，他們自己組建的團(tuán)隊(duì)制造出了當(dāng)代最令人嘆為觀止的太陽能飛機(jī)陽光動力2號。

2015年3月，陽光動力2號將從阿布扎比酋長國開始，預(yù)計(jì)在四到五個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行25天左右的環(huán)球飛行。兩位飛行員計(jì)劃在中國、美國、南歐或北非中途停留，并于夏天飛回始發(fā)地阿布扎比酋長國。

太陽能清潔飛行簡史

上世紀(jì)70年代末，人力飛機(jī)的發(fā)展積累了制造低速、低翼載、重量輕的飛機(jī)的經(jīng)驗(yàn)。但太陽能飛機(jī)只是單座小型飛機(jī)上安裝太陽能電池，勉強(qiáng)飛行而已。在這一基礎(chǔ)上，美國在80年代初研制出“太陽挑戰(zhàn)者”號單座太陽能飛機(jī)。不過太陽能飛機(jī)依舊處于試驗(yàn)研究階段，它的有效載重和速度都很低。其中最著名的太陽能無人飛機(jī)是AeroVironment公司為NASA的環(huán)境研究機(jī)和傳感器技術(shù)計(jì)劃研制的“太陽神”號無人機(jī)。

“太陽神”號由碳纖維合成物制造，部分起落架材料為越野自行車車輪，整架飛機(jī)僅重590千克，比小型汽車還要輕?！疤柹瘛痹谕庑畏矫娴淖畲筇攸c(diǎn)就是有兩個(gè)很寬的機(jī)翼，其機(jī)身長2.4米，而活動機(jī)翼全面伸展時(shí)卻達(dá)75米，連波音747飛機(jī)也望塵莫及。

“太陽神”號機(jī)身上裝有14個(gè)螺旋槳，動力來源于機(jī)翼上的太陽能電池板。在早晨陽光不是很強(qiáng)烈時(shí)，“太陽神”裝備的太陽能電池可以為飛機(jī)提供10千瓦的電能，使飛機(jī)能夠以每秒33米的速度爬高。中午時(shí)分，電池提供的電能達(dá)到40千瓦，飛機(jī)的動力性能達(dá)到最佳狀態(tài)，能以每小時(shí)30至50公里的巡航速度飛行。晚上，飛機(jī)則依靠儲存的電能進(jìn)行巡航飛行。

2001年研究人員將“太陽神”號運(yùn)往夏威夷，裝上65000片太陽能板，由地面兩名機(jī)師透過遙控設(shè)備“駕駛”。在10小時(shí)17分的飛行中，“太陽神”號達(dá)到22800米的目標(biāo)高度。研究人員預(yù)計(jì)“太陽神”號最高可飛到30000米高空，超出噴氣式客機(jī)飛行高度3倍多。

不幸的是，2003年6月26日，“太陽神”在試飛時(shí)突然空中解體，墜入夏威夷考艾島附近海域。事后經(jīng)調(diào)查，“太陽神”號在空中飛行36分鐘時(shí)突然遭遇強(qiáng)湍流，引起兩個(gè)翼端向上彎，致使整個(gè)機(jī)翼誘發(fā)嚴(yán)重的俯仰振蕩，超出飛機(jī)結(jié)構(gòu)的扭曲極限。

2003年，貝特朗·皮卡爾提出了太陽能飛機(jī)環(huán)球飛行構(gòu)想，計(jì)劃駕駛太陽能飛機(jī)，經(jīng)過5次起降實(shí)現(xiàn)環(huán)球晝夜飛行，這一計(jì)劃被命名為“陽光動力”，最終目標(biāo)是用太陽能飛機(jī)實(shí)現(xiàn)永久飛行。該飛行項(xiàng)目參與者包括來自瑞士電梯制造商迅達(dá)和比利時(shí)化工集團(tuán)蘇威的工程師。直到2007年，在瑞士杜本多夫舉行的新聞發(fā)布會上，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)展出了陽光動力太陽能飛機(jī)樣機(jī)。>當(dāng)今最嘆為觀止的飛機(jī) 隊(duì)的全面優(yōu)化，在24小時(shí)的周期內(nèi)，飛機(jī)可以輸出15千瓦的穩(wěn)定功率。其次，為了滿足晝夜飛行的需求，發(fā)動機(jī)吊艙中也安裝了633千克重的鋰離子電池。因此，白天的時(shí)候，陽光動力2號上升到9000米的高空，以平均每小時(shí)90公里的速度進(jìn)行飛行的同時(shí)，還能將多余的太陽能電力儲存到高性能蓄電池中。到了晚上，聚合鋰電池把白天的太陽能轉(zhuǎn)換成電能，可供飛機(jī)夜間持續(xù)飛行8小時(shí)。由于碳纖維復(fù)合材料具備耐熱性高的優(yōu)點(diǎn)，飛行員可將白天飛行高度保持在8500到9000米之間，從而達(dá)到最佳的空氣動力學(xué)效率和太陽能利用率。到了晚上，飛行高度降至1500米左右，降低耗電量，待次日太陽升起之后，飛機(jī)才重新回到高空飽和充電。

正如前文所提，陽光動力2號的翼展雖然比波音747-81型噴氣式飛機(jī)還長6米，但747-81凈重超過300噸，而陽光動力2號僅重2.3噸。這得益于機(jī)身骨架使用的碳纖維蜂窩夾層材料，根據(jù)機(jī)身需要的不同強(qiáng)度進(jìn)行層疊的安排。這種材料重量密度僅有25克每平方米，是一張普通B5紙的四分之一，但是強(qiáng)度完全滿足飛機(jī)的機(jī)械要求。飛機(jī)表面使用的是柔性蒙皮，主要目標(biāo)也是減重。

挑戰(zhàn)認(rèn)知領(lǐng)域的極限

瑞士制造方稱，陽光動力2號飛機(jī)會是最大化利用結(jié)構(gòu)學(xué)和空氣材料學(xué)所能產(chǎn)生的前所未有性能的集合體。設(shè)計(jì)和制造這兩架飛機(jī)非一人之力所能完成，它由陽光動力團(tuán)隊(duì)的100人設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，同時(shí)由80多家公司提供各方面所需的技術(shù)，包括節(jié)能電池和新型輕質(zhì)材料等等。比如，合作伙伴OMEGA提供了高效節(jié)能電池，Bayer和Solvay制造了更輕便的新材料，ABB和Schindler幫助SI提高了整體能源的利用率，而Altran則為飛行試驗(yàn)提供控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬飛行。

然而即使有著目前最先進(jìn)的科技支持，當(dāng)前陽光動力2號使用的光伏面板轉(zhuǎn)換效率也僅為20%左右，飛機(jī)必須飛到9000米的高空才能吸取足夠的光熱。如果進(jìn)行環(huán)球飛行，當(dāng)處于北半球夏天，日照時(shí)間更長，但由于太陽升降期間與地平線形成的角度偏低，光伏面板其實(shí)無法在整個(gè)白天都吸取到光熱。

因此，即使實(shí)現(xiàn)了環(huán)球飛行，要真正令太陽能飛機(jī)民用化，也還是困難重重。首先材料價(jià)格昂貴，飛機(jī)結(jié)構(gòu)仍然相當(dāng)脆弱，安全性不是很高，有效載荷很小。比如陽光動力2號的翼展雖然已經(jīng)大過一架波音飛機(jī)，卻仍無法承載駕駛員以外的乘客。

其次陽光動力2號的平均功率并不大，只相當(dāng)于一輛小型摩托車，因此這也注定這架飛機(jī)的飛行速度無法與普通飛機(jī)相比，最快速度甚至追不上普通的汽車。這導(dǎo)致了普通飛機(jī)從北京到倫敦需要11小時(shí)行程，陽光動力2號則需要120小時(shí)。無論對于飛行員還是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說，這都是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。

再次，電池光電轉(zhuǎn)換效率低、重量大、價(jià)格高，受天氣影響很大。比如3月開始由阿布扎比飛經(jīng)印度再到中國的航線就是出于避開印度洋季風(fēng)的考量。

此外，相比駕駛普通飛機(jī)，駕駛太陽能動力飛機(jī)是一個(gè)極端困難和高風(fēng)險(xiǎn)的工作。畢竟在過去還沒有如此大翼展卻又如此輕的一架飛機(jī)能夠成功上天。因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的終極挑戰(zhàn)除了提升太陽能電池動力，還需要設(shè)計(jì)出可以民用并且在能正常機(jī)場升降的太陽能飛機(jī)。

除了解決工程技術(shù)上面臨的挑戰(zhàn)，飛行員還要克服連續(xù)五個(gè)晝夜在天空中飛行的壓力。長時(shí)間處于未加壓的駕駛艙中，經(jīng)歷極寒和酷熱的反復(fù)交替，對于任何人而言都是極大的心理和生理上的挑戰(zhàn)。因?yàn)槊總€(gè)航段只有一名飛行員，需要連續(xù)駕駛五個(gè)晝夜。

據(jù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)稱，陽光動力1號的駕駛艙還不太舒適，類似經(jīng)濟(jì)艙，駕駛員身體只能伸展四十五度，但是到了陽光動力2號就差不多能提供商務(wù)艙的舒適環(huán)境，還包括一個(gè)休息艙。即便如此，駕駛員每次休息都不能超過20分鐘，需要時(shí)刻保持警惕。而艙內(nèi)溫度在零下20度到零上30度間浮動，駕駛員一天所經(jīng)歷的溫差相當(dāng)于在北京四季所經(jīng)歷的。

為了保證身體能夠承受這般寒熱交替，除了進(jìn)行模擬和試飛，貝特朗和安德烈還曾前往地球北緯61°的大西洋東北邊緣海北海去體驗(yàn)極端情況下的危機(jī)狀況。比如學(xué)習(xí)如何在天寒地凍的情況下跳傘，如何在冰水中求生。

與其說陽光動力2號是一個(gè)技術(shù)工程，不如說是一項(xiàng)有關(guān)改變未來人們生活方式的革命。雖然當(dāng)今人類已經(jīng)建成了無需借助外在能源的商住建筑和利用清潔能源的工業(yè)產(chǎn)業(yè)，但關(guān)于清潔能源的技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新仍極為不足。而陽光動力2號所使用的技術(shù)均發(fā)揮著最高效能，它利用的清潔能源可以被使用在地面的任何領(lǐng)域，包括建造房屋，生產(chǎn)電子移動設(shè)備、絕緣設(shè)備和光纖系統(tǒng)等。

陽光動力團(tuán)隊(duì)預(yù)測，40多年后，能承載300名乘客的全太陽能飛機(jī)有望正式投入運(yùn)營。雖然將太陽能飛機(jī)民用化依舊困難重重，但當(dāng)萊特兄弟制造出第一架飛機(jī)時(shí)，誰也沒有想到，僅在24年之后，林德伯格就駕駛飛機(jī)飛越了大西洋——一個(gè)人，滿載著汽油。

而就連他自己也不知道，在100年后飛機(jī)會搭載幾百名的旅客做長途飛行。如今，也有這樣一架飛機(jī)，只有一個(gè)駕駛員，滿載著電池，只能在天氣好的時(shí)候慢慢飛。