“陽光動力2號”：不燒一滴油的未來意義

方達

日前，全球最大太陽能飛機“陽光動力2號”抵達南京?！按箫w機”在中國境內(nèi)的旅途一波三折，因受天氣影響太大，其抵達中國首站重慶的時間就比原定計劃推遲了10天。

據(jù)悉， “陽光動力2號”由瑞士制造，在不使用任何燃油的情況下進行環(huán)球飛行，僅依靠機翼上17248塊超高效率的太陽能電池提供動力，電池板吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能，傳播“未來可屬于清潔技術(shù)和可再生能源”的理念。其將空氣動力學、材料、結(jié)構(gòu)、電子、人機工程學等方面的最新技術(shù)集于一體，所采用的單晶硅薄膜太陽能電池可以廣泛用于熱水器、供電等方面。從重慶到南京這段航程，是此次太陽能飛機環(huán)球飛行中唯一完全在中國境內(nèi)的航段。

“陽光動力2號”太陽能飛機自3月9日從海灣地區(qū)起飛開始環(huán)球飛行之后，僅靠太陽能已成功飛行75小時，6000多公里。重慶和南京站之后將飛越太平洋、美國、大西洋、南歐和北非，今年7月返回阿聯(lián)酋首都阿布扎比。

太陽能清潔飛行歷史

人類是一個熱衷挑戰(zhàn)的物種。最高的山，最深的海，最遠距離的飛行，這些挑戰(zhàn)除了考驗人的精神與體能，還考驗技術(shù)水平。最好的潛水艇才能抵達大洋底部，最好的飛行器才能飛躍整個星球。隨手打開任何一個表現(xiàn)未來的電影與電視節(jié)目，幾乎都能看到同一個相似的場景：具有黑色表面的車輛與飛機安靜的前進。太陽能與電力驅(qū)動，是人類對未來交通工具的想像，也是合理的想像。但電力驅(qū)動和傳統(tǒng)能源使用體驗上的最大不同，是電力補充太慢。而無處不在的太陽能剛好補上這個短板。

上世紀70年代，太陽能飛機是單座小型飛機上安裝太陽能電池，勉強能飛。1981年，“太陽挑戰(zhàn)者”號太陽能飛機飛越了英吉利海峽，創(chuàng)造了當時的記錄。2001年，最著名的太陽能飛機“太陽神”號完成了無燃料飛行器飛行海拔高度紀錄，飛行高度29524米。“太陽神”擁有可提供40千瓦峰值功率的太陽能電池組，配合普通電池與液氫電動機可完成長達兩周不間斷無人飛行。日前，伯特蘭·皮卡德和安德烈·波爾施博格已駕駛太陽能動力飛機（陽光動力2號），日夜兼程，用時四到五個月穿越海洋陸地，完成人類史上首次環(huán)球太陽能飛行計劃。

本次啟程的“陽光動力2號”，是Bertrand Piccard和André Borschberg制造的第二款太陽能飛機。初代產(chǎn)品“陽光動力號”曾在2012與2013年進行長距離飛行測試，2012年完成了瑞士飛往西班牙1116千米不停站紀錄，2013年則完成了橫跨美國的飛行測試。“陽光動力2號”使用了與前作大體相似的結(jié)構(gòu)，但在核心部件部分都有大幅更新。

“陽光動力2號”大升級

據(jù)了解，曾經(jīng)的“陽光動力號”機身表面覆蓋12000個太陽能電池陣列，展翼208英尺，四臺10馬力電動機?！瓣柟鈩恿?號”是在1號的矚目中誕生，眾多大公司與學校參與了這個項目。飛機的翼展提升至71米（236英尺），核心部分太陽能電池陣列換裝了全新薄膜太陽能電池，能量轉(zhuǎn)化效率達22.7%，共17248塊，能為飛機提供65千瓦的峰值功率。

動力部分也有升級，在機翼下方四個發(fā)動機吊艙中，安裝了全新四臺無刷直流電機，動力提升至17.4馬力，螺旋槳穩(wěn)定轉(zhuǎn)速提升到525轉(zhuǎn)/分鐘，時速提高到最高約90公里/小時。為滿足晝夜飛行需求，發(fā)動機吊艙中還安裝了633公斤重的鋰離子電池。但“陽光動力2號”的難題不在白天，是在黑夜。經(jīng)過飛機制造團隊全面優(yōu)化，在24小時周期內(nèi)飛機可輸出15千瓦穩(wěn)定功率。

“陽光動力2號”的翼展超過72米，比魔音747-8型噴氣式飛機還長6米。但747-8凈重超過300噸，而“陽光動力2號”的重量僅為2.3噸。與尺寸相比，這架薄如蟬翼的太陽能飛機，得益于機身骨架使用的碳纖維蜂窩夾層材料，這種材料重量密度僅25克/平方米，比紙還要輕3倍，但強度完全能滿足飛機的機械要求。而且飛機表面使用的是柔性蒙皮，主要目標也是減重。

“陽光動力2號”希望在2015年達成環(huán)球飛行的目標，計劃單次飛行時間5晝夜，兩位飛行員輪換完成。實際上，完成這樣的飛行難度不在于飛機性能，而是體能極限。

2009年，《Popular Science》上刊登一則熱氣球不停站環(huán)球飛行故事，“百年靈軌道飛行器3號”熱氣球從瑞士出發(fā)，歷時19天21小時47分鐘，飛行距離為45755公里。氣球的兩位駕駛員中，就有“陽光動力號”聯(lián)合創(chuàng)始人伯特蘭·皮卡德。當年的氣球旅行舉世矚目，除氣球運動充滿不確定性外，兩位駕駛員在吊艙中的極限生活也是挑戰(zhàn)，畢竟空間狹小，食物與飲水非常有限。但和“陽光動力2號”環(huán)球旅行相比，氣球飛行至少還能睡個好覺。在“陽光動力2號”計劃的環(huán)球旅行中，五晝夜單次飛行中飛行員只能把座椅放倒簡單休息，并且會有儀器監(jiān)控飛機狀態(tài)，如遇異常，會迅速把飛行員叫醒。要知道，與一般飛機不同，這架極限輕量化的太陽能飛機動力有限，同時翼展極寬，機翼載荷又很小，使得飛機非常容易受到氣流影響，難以控制。同時，為兼顧太陽能電池充電，飛機起飛后并不是快速巡航高度，而需分階段爬升至約9千米高度，讓太陽能電池達到最大功率狀態(tài)充電。在后續(xù)旅程中，飛機還要按階段下降高度，利用氣流節(jié)省電力，維持夜晚低空飛行。

困難的是“陽光動力2號”的機艙并不密封加壓，僅靠材料保溫。在8千米高空零下40攝氏度環(huán)境中，機艙溫度肯定會下降相當大。而且狹小的機艙，吃飯喝水上廁所這樣簡單的事情都會變得復雜起來。同時，飛行員既要克服空中飛行階段的無聊境況，休息時又要長期保持專注。因此，這趟旅程對駕駛員的考驗要大于飛行員。

最重要的還是象征意義

油一定是會燒光的，人類文明也是要繼續(xù)發(fā)展的。在可見的未來，太陽能一定是最重要的新能源之一。目前，利用太陽能基本上有兩種形式，一是太陽能熱電，這種方式是匯聚太陽光加熱鍋爐，利用水蒸氣推動汽輪機發(fā)電。但效率較低，與常規(guī)熱電沒什么本質(zhì)區(qū)別。二是太陽能光伏發(fā)電，利用太陽光照射在半導體材料上的光電效應，是一種直接收集電子流動發(fā)電的方式。按照制作材料，太陽能電池分為硅基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中硅電池又分單晶電池、多晶電池和無定形硅薄膜電池等。對太陽能電池來說，最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換效率，目前在實驗室所研發(fā)的硅基太陽能電池中，最高單晶硅電池效率為25.0%，多晶硅電池效率為20.4%，CIGS薄膜電池效率達19.8%，CdTe薄膜電池效率達19.6%，非晶硅（無定形硅）薄膜電池效率為10.1%。

在可見的未來，太陽聚變能夠提供的光照是最穩(wěn)定的能量來源。在利用太陽能這件事上，科學家們還有過更瘋狂的設想，“戴森球”就是其中之一。戴森球的概念源于美國物理學家、數(shù)學家弗里曼·戴森的思想實驗。他認為，任何技術(shù)文明對能量需求都是穩(wěn)定增長，如果人類文明能夠延續(xù)足夠長的時間，就必然有一天對能量需求膨脹到利用其母恒星“全部”的能量輸出。他認為，此時就有必要建立能夠攔截和收集母恒星發(fā)出的所有能量的軌道結(jié)構(gòu)。簡單說，“戴森球”就是一個在一定位置上把恒星完全包在其中的巨型殼狀結(jié)構(gòu)。

太陽能輸出的能量巨大，如果人類能完全收集這些能量，就可實現(xiàn)一些非常宏偉的目標，如改造行星，驅(qū)動星際飛船。但“戴森球”最可能的建造方式絕不可能是一個密閉的殼體，因即使在一個天文單位上建造這個殼，所需建筑材料甚至超過整個太陽系中所能提供的元素。

接近戴森最初概念的可行變體是“戴森云”。它由巨大數(shù)目的密集環(huán)繞恒星運行的獨立結(jié)構(gòu)，它們可以是太陽能衛(wèi)星或太空定居點組成。當然了，這個上帝工程可能永遠只是思想實驗，但太陽能開發(fā)的方向顯然是正確的。如此看來，“陽光動力2號”環(huán)球之旅最重要的還是象征意義，它象征著人類對新能源的探索精神和對未知旅程以及身體極限的挑戰(zhàn)。雖然現(xiàn)在太陽能商業(yè)飛行還是夢想，但正如伯特蘭·皮卡德所說：這不僅是航空業(yè)的一次徹底變化，也是生活方式的一個完全轉(zhuǎn)變。