載人太陽能飛機(jī)創(chuàng)新了什么

3月9日清晨6時(shí)30分，阿布扎比玫瑰紅色的晨曦還顯得有些灰蒙蒙。地面團(tuán)隊(duì)按計(jì)劃，把即將首次載人環(huán)球飛行的太陽能飛機(jī)推入跑道，好讓飛行員在沙漠里的熱空氣起來前，把飛機(jī)飛上天。

否則，熱浪造成的不穩(wěn)定氣流，會(huì)給飛機(jī)帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

就在此時(shí)，警報(bào)器聲突然大作。機(jī)械師立刻上機(jī)排查所有可能的故障隱患。而位于摩納哥的控制中心里，電子工程師們則是根據(jù)衛(wèi)星傳回來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行安全評估。等機(jī)械師將機(jī)載電子設(shè)備關(guān)閉并重啟后，警報(bào)隨即消除。又過了漫長的20分鐘，安全委員會(huì)最終點(diǎn)頭放行。

坐在控制中心的摩納哥大公阿爾貝二世對著話筒說：“你放心飛吧，我們等你回來。”

雖然起飛比原計(jì)劃晚了40分鐘，但飛機(jī)依然安全地經(jīng)過短暫的滑行，像蜻蜓一般緩慢飛入空中。預(yù)計(jì)，它可以趕在印度洋和中國南部的季風(fēng)來到前，飛入太平洋。

這是一架由一家瑞士創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)制造出來的、完全由太陽能驅(qū)動(dòng)的載人飛機(jī)，名為太陽動(dòng)力2號（Solar Impulse 2）。3月9日起，它將在4個(gè)月到5個(gè)月內(nèi)實(shí)際飛行25天，完成它的首次環(huán)球飛行。它從阿布扎比起飛，途經(jīng)印度、緬甸、中國的重慶和南京、美國、歐洲或北非（目前未定），最后再回到阿布扎比。

挑戰(zhàn)極限

用太陽能飛機(jī)進(jìn)行環(huán)球飛行的想法，最早來自瑞士探險(xiǎn)家皮卡爾（Bertrand Piccard）。那還是1999年，他剛剛駕駛熱氣球，完成了不間斷的環(huán)球旅行。他曾經(jīng)去敲飛機(jī)制造商的門，但是碰了一鼻子灰。從此，皮卡爾決定自己組建團(tuán)隊(duì)、拉贊助，獨(dú)立完成這個(gè)宏愿。

從2003年與瑞士的洛桑高等理工學(xué)院達(dá)成合作，進(jìn)行可行性研究開始;一直到2009年造出原型機(jī)并進(jìn)行試飛;再到曾在瑞士空軍服役的商人兼工程師——博爾施貝格（André Borschberg）的強(qiáng)力加盟;如今，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)得到ABB集團(tuán)、索爾維集團(tuán)（Solvay）、迅達(dá)集團(tuán)（Schindler）、拜耳材料科學(xué)公司等80多家公司的資金和技術(shù)支持，成為吃“百家飯”長大的孩子。

太陽動(dòng)力2號的翼展寬達(dá)72米，比波音747-8I的68.5米還寬，僅次于空客A380的79.8米。但它的總重量只有2.3噸，相當(dāng)于一輛家用汽車，比起440噸的波音747-8I和560噸的空客A380，可謂輕如鴻毛。

機(jī)翼為碳纖維材料，其表面以空氣動(dòng)力學(xué)最優(yōu)的方式，平整地覆蓋了17248塊由索爾維公司提供的太陽能電池板。它比該公司已面向市場的產(chǎn)品，減少了35%的重量，并給發(fā)動(dòng)機(jī)提供65千瓦的峰值功率。而這些能量可以通過四臺(tái)17.5馬力的無刷直流電機(jī)，讓飛機(jī)達(dá)到70公里的時(shí)速。此外，飛機(jī)上搭載的633公斤鋰電池，可以讓飛機(jī)在夜晚有充足的電力進(jìn)行飛行。

出于飛行安全考慮，ABB集團(tuán)集成傳感器研究組的馬林科維克博士（Stevan Marinkovic）還給駕駛艙設(shè)計(jì)了輔助電源系統(tǒng)，從而保障一旦主電路出現(xiàn)故障，蓄電池可以給包括導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)的電子設(shè)備進(jìn)行供電。這套系統(tǒng)是基于對電路斷路器的監(jiān)控與分析，該技術(shù)原本被ABB用于發(fā)電廠與大電網(wǎng)之間的斷路設(shè)計(jì)。

為了讓整體重量盡可能地輕，飛機(jī)的駕駛艙中只能容下一名飛行員，傳統(tǒng)民航飛行中副駕駛員的工作則由控制中心完成。

飛行中的所有數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)都將傳輸?shù)轿挥谀{哥的控制中心，在這里，有著40年民航飛機(jī)駕齡的總控制師科萊克（Raymond Clerc）會(huì)綜合空中飛行管制員、氣象學(xué)家、數(shù)學(xué)算法工程師，以及機(jī)械電子工程師的所有情報(bào)，然后通過通訊員給飛行員提供信息。

盡管如此，這架太陽能飛機(jī)依然十分脆弱。它的輕盈也給它的機(jī)動(dòng)性帶來障礙。科萊克告訴《財(cái)經(jīng)》記者：“由于重量不夠，它在轉(zhuǎn)彎時(shí)不能像普通民航飛機(jī)那樣可以達(dá)到30度的傾角，而是只能用2度至3度的傾角進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，因此極為緩慢。一旦超過5度，警報(bào)系統(tǒng)就會(huì)立刻給飛行員發(fā)出警報(bào)?！备灰f遇到亂流等復(fù)雜天氣情況，需要飛行員保持時(shí)刻警惕。

因此，雖然在設(shè)計(jì)上，只要把座椅放平，飛行員就可以半曲體臥睡，但是考慮到人體在睡眠25分鐘后，會(huì)進(jìn)入深度睡眠，所以，飛行員胳膊上的振動(dòng)報(bào)警器會(huì)在他睡20分鐘后，把他叫醒。這便給飛行員的生理與心理帶來很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麖哪暇╋w到夏威夷的這一段航程，需要獨(dú)自飛行5個(gè)晝夜。

“不論中間發(fā)生什么，我們只能一鼓作氣飛越太平洋。”科萊克對《財(cái)經(jīng)》記者說：“一旦掉頭，西風(fēng)還是會(huì)把我們吹回去?！?/p>

然而，在陸地上的起降也絕非易事，它需要跟民航飛機(jī)的起降錯(cuò)開。由于太陽能飛機(jī)比普通飛機(jī)的航速低、性能差，因此在提升和下降的時(shí)候，也都只能緩慢進(jìn)行。負(fù)責(zé)中國境內(nèi)的飛行管制協(xié)調(diào)員耿秀林告訴《財(cái)經(jīng)》記者：“選擇經(jīng)停重慶和南京的一個(gè)重要原因，在于它們都是雙跑道機(jī)場?！北M管耿秀林曾多次駕駛通用飛機(jī)，飛過這條航線以及航線上的起降點(diǎn)，但是他在飛機(jī)起飛前十天就抵達(dá)摩納哥，以便更好地了解飛機(jī)和團(tuán)隊(duì)。

“空中實(shí)驗(yàn)室”

“我和皮卡爾還是孩子的時(shí)候，我們的父親就相互認(rèn)識?！钡蕊w機(jī)成功起飛，摩納哥大公終于長舒一口氣，對著鏡頭說起輕松的話。

這些年來，皮卡爾和博爾施貝格動(dòng)用自己的私人關(guān)系，拉到18位像摩納哥大公這樣，富有激情的贊助人，其中包括維珍航空的創(chuàng)始人——布蘭森爵士（Sir Richard Branson）。除此之外，還有一票科技型公司成為他們的合作伙伴，為其提供資金和技術(shù)。

“最早是2003年12月，皮卡爾在我們的一個(gè)內(nèi)部活動(dòng)上，做了一個(gè)演講?！北壤麜r(shí)化學(xué)企業(yè)索爾維集團(tuán)（Solvay）負(fù)責(zé)太陽動(dòng)力號項(xiàng)目的總監(jiān)邁克爾（Claude Michel）對《財(cái)經(jīng)》記者說：“我們覺得，這跟集團(tuán)的‘能源采集與儲(chǔ)存’以及‘輕型材料’這兩大戰(zhàn)略高度吻合?！?/p>

對于可再生能源來說，能量儲(chǔ)存一直是瓶頸。而對于一切以輕盈為最高標(biāo)準(zhǔn)的太陽動(dòng)力號來說，更是如此。因此在幫第一代原型機(jī)做研發(fā)的時(shí)候，索爾維把電池的能量密度從自己早前通用產(chǎn)品的180Wh/Kg提高到240Wh/Kg。而在投入第二代飛機(jī)研發(fā)時(shí)，索爾維對電極工藝進(jìn)行改善，使能量密度最終達(dá)到260Wh/Kg。

按照科學(xué)工程聯(lián)盟的常規(guī)做法，研發(fā)階段的產(chǎn)品用于太陽動(dòng)力號，但是專利的所有權(quán)則歸索爾維。因此，索爾維也緊鑼密鼓地為該產(chǎn)品申請專利，將其推向大眾市場。

正是基于這種合作機(jī)制，太陽動(dòng)力號像大量科技型初創(chuàng)企業(yè)一樣，成為實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和新產(chǎn)品市場之間，不可缺少的一環(huán)，從而打破傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈在新技術(shù)應(yīng)用上難以消除的惰性。

“如果要把一個(gè)輕型材料用在車企的產(chǎn)品線上，研發(fā)、模擬、測試，來來回回要花上好幾年?！卑荻牧峡茖W(xué)公司負(fù)責(zé)太陽動(dòng)力號項(xiàng)目的研發(fā)總監(jiān)霍斯博士（Bernd Rothe）對《財(cái)經(jīng)》記者說：“但是，這架飛機(jī)則不同，它能夠帶來很快的反饋。通過它，我們可以讓大家知道，拜耳的材料都能達(dá)到什么品質(zhì)?！?/p>

作為PU材料（聚氨脂）和PC材料（聚碳酸酯）這兩大基本化學(xué)材料的發(fā)明者，拜耳從2010年開始成為太陽動(dòng)力號的合作伙伴。它把自己硬性泡沫的PU材料用作駕駛艙的隔熱材料，透明的PC材料用于制造駕駛艙的窗戶。

由于飛機(jī)將在零下40攝氏度和40攝氏度的環(huán)境中，交替飛行，因此，拜耳的一項(xiàng)重要任務(wù)，就是提高駕駛艙的隔熱性，同時(shí)還要讓材料更輕。在泡沫材料中，空氣提供了隔熱的效果，拜耳的目標(biāo)則是把氣孔做得更小。

“這個(gè)飛機(jī)就像是一個(gè)材料界的奧林匹克?！被羲共┦繉Α敦?cái)經(jīng)》記者說。從2010年至今，拜耳從化學(xué)到裝備制造等領(lǐng)域，為這個(gè)飛機(jī)成立了15個(gè)項(xiàng)目組，進(jìn)行研發(fā)。例如，兩個(gè)項(xiàng)目組分別針對PU材料里降低密度、提高絕緣性這兩個(gè)性質(zhì)進(jìn)行研發(fā)。

有趣的是，由于拜耳專注于PU材料及其工藝研究，而索爾維擅長于添加劑制作，因此，兩家公司在新材料的研發(fā)中亦達(dá)成合作，最終使得氣孔比早前產(chǎn)品縮小40%，隔熱性提高10%。

然而，并不是所有的研發(fā)都會(huì)被太陽動(dòng)力號采納。原本，拜耳的一個(gè)項(xiàng)目是研發(fā)特殊的黏合劑，用來把太陽能電池黏合在機(jī)翼上。研發(fā)團(tuán)隊(duì)做出來的黏合劑可以達(dá)到40g/m2的輕量，并且可以適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但是，考慮到其他團(tuán)隊(duì)能夠在非工業(yè)級做到38g/m2，最終拜耳的產(chǎn)品被淘汰了。如此下來，15個(gè)項(xiàng)目，最終只有5個(gè)項(xiàng)目被運(yùn)用在這架飛機(jī)上。

在研發(fā)過程中，研究員雖然在工作性質(zhì)上參與到陽光動(dòng)力號，但是他們?nèi)匀粴w屬于原先的工作團(tuán)隊(duì)，因此通過研究匯報(bào)機(jī)制，依然可以讓研發(fā)及時(shí)轉(zhuǎn)入產(chǎn)品開發(fā)。如今，拜耳也為這種新型PU材料申請了專利，并進(jìn)入市場拓展期。

這種開放式的創(chuàng)新機(jī)制，讓合作企業(yè)之間得以進(jìn)行跨行業(yè)的技術(shù)交流，這對于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的企業(yè)發(fā)展來說至關(guān)重要?！半娞菪袠I(yè)已經(jīng)從機(jī)械時(shí)代跨入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)代，我們在合作中相互取長補(bǔ)短?！毖高_(dá)集團(tuán)駐陽光動(dòng)力號的工程師普菲斯特（Martin Pfister）告訴《財(cái)經(jīng)》記者。

相較于當(dāng)前流行的通航飛機(jī)和民航飛機(jī)，太陽能飛機(jī)依然面對成本高、載重小、航速低、性能差等問題。因此，這個(gè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)目前尚未有商業(yè)化制造太陽能飛機(jī)的計(jì)劃。他們的目的，是通過奪目的環(huán)球飛行，傳遞出清潔能源的理念，讓空中能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)，同樣在地面實(shí)現(xiàn)。

此外，該團(tuán)隊(duì)還希望能夠借此推動(dòng)各國政府，在2015年12月的巴黎氣候峰會(huì)上作出減排承諾。