“陽光動力2號”中途“趴窩”太陽能載人飛機環(huán)球之旅的啟示

◎特約撰稿 吳葉菡

“陽光動力2號”中途“趴窩”太陽能載人飛機環(huán)球之旅的啟示

◎特約撰稿 吳葉菡

不耗一滴燃油，超長航時晝夜飛行，在2015年環(huán)繞地球一圈——這是瑞士設計的目前世界上最大太陽能載人飛機“陽光動力2號”的目標。今年3月9日，它從阿聯(lián)酋首都阿布扎比出發(fā)，開始環(huán)球航行，并計劃8月份返回起點。這項刷新人類飛行歷史的事件，引發(fā)全世界的關注。然而，如今8月早已過去，這架象征著清潔能源新技術的空中新秀，卻在途中“趴窩”了，滯留夏威夷。究竟發(fā)生了什么事情？9月2日，《環(huán)境與生活》雜志連線北京航空航天大學航空科學與工程學院老師孫康文，請他告訴我們這是為什么。

集合全球80多家公司創(chuàng)意

“利用可再生能源，你可以做‘不可能’之事?！苯衲?月，“陽光動力”計劃的聯(lián)合發(fā)起人、瑞士著名探險家貝特朗·皮卡爾說著這番話，和也是發(fā)起人之一的安德烈·博爾施伯格，坐進不必耗費一滴燃油、完全利用太陽能便可晝夜連續(xù)飛行的載人飛機——“陽光動力2號”（Solar Impulse 2）的座艙里。兩人從阿聯(lián)酋首都阿布扎比出發(fā)，輪流駕機，開始了改寫歷史的環(huán)球飛行。

皮卡爾曾于1999年搭乘熱氣球，完成了為期3周的環(huán)球旅行?！爱敃r，我最擔心的事情就是熱氣球燃料耗盡。所以我對自己承諾：下一次，我要不使用一滴燃料?！庇谑牵竽懙叵氲搅笋{駛太陽能飛機。在向瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院咨詢技術可行性時，皮卡爾結(jié)識了博爾施伯格，對清潔能源的喜好使兩人一拍即合。博爾施伯格既是一名企業(yè)家，也是一名飛行員，曾為瑞士空軍服役25年。他一生有兩個愛好：飛行和創(chuàng)新。

其實早在十多年前，兩人就曾邀請航空公司為他們設計、制造太陽能飛機，卻遭到拒絕，因為這是“不可能完成的事情”。于是，兩人決定自己組建設計、制造團隊。2009年，他們造出了“陽光動力1號”，并于當年6月實現(xiàn)首飛。2014年4月，“陽光動力2號”研發(fā)成功，飛機集合了全球80多家公司所提供的創(chuàng)意、技術解決方案，其中只有一家公司來自航空界。而且，這架飛機上的每一個設計，都可以在其他地方得到應用，比如飛機駕駛艙的絕緣材料技術，也可應用于冰箱制造。

“陽光動力2號”是目前世界上最大的太陽能飛機，采用碳纖維材料制成，重量密度約為25克/平方米；翼展近72米，鑲嵌太陽能電池。白天，飛機“汲取”太陽能轉(zhuǎn)化為電能，攀升至近萬米高空飛行；晚上，它逐漸下降到3000米左右的高度，依靠儲存在電池里的電能繼續(xù)飛行。飛機沒有減壓艙，溫度落差極大，白天氣溫最高可達30攝氏度，到了晚上又可能降至零下30攝氏度，飛行員得穿著有保暖設備的特殊服裝，以適應溫度變化。機艙座椅下面設有馬桶裝置，解決飛行員如廁問題。機上設有通話、網(wǎng)絡等設備，可隨時與地面聯(lián)絡。

兩位發(fā)起人表示，“陽光動力號”飛機的誕生并不是為了制造太陽能載客飛機，而是希望通過環(huán)球飛行傳遞一個信息：清潔能源完全能替代制造污染的其他能源。

不用燃油的“陽光動力2號”

電池出故障滯留夏威夷

“陽光動力2號”原計劃自3月起以阿布扎比的沙漠為起點，一路西行，途中在阿曼、印度、緬甸、中國（重慶和南京）、美國、南歐或北非等地區(qū)共12個城市作短暫停留，然后于8月返回阿布扎比。整個環(huán)球飛行距離約3.5萬公里，計劃耗時5個月。

4月下旬，“陽光動力2號”抵達南京，向公眾開放參觀。

孫康文/攝

4月21日，飛機抵達南京，按原定計劃停留3周，為之后飛往美國夏威夷的長途飛行做準備。南京至夏威夷是此次環(huán)球旅行中航線最長、最具挑戰(zhàn)的一段旅程，直線距離約8500公里，預定飛行5天5夜。5月底，飛機離開南京，然而，海面上空的強風不斷摧殘機翼，博爾施伯格只得駕機緊急迫降于日本名古屋機場，滯留時間達1個月。直到6月28日，飛機重新啟程，歷時117小時52分鐘、飛行7212公里，才抵達太平洋中部的夏威夷。它創(chuàng)造了3項世界紀錄：最長時間太陽能飛機不間斷飛行、最長時間單人駕機飛行和最遠距離太陽能動力飛行。但是，這也付出了巨大的代價。

從離開日本的第一天開始，飛機電池就持續(xù)發(fā)熱造成不可逆的損害，落地夏威夷后便被送至卡拉伊洛阿機場進行整修。由于過了夏至，北半球白天時間開始縮短，恐怕陽光供能不足，皮卡爾估計2015年完成預定環(huán)球行程已經(jīng)不大可能，預計明年4月才能重新起航。在這期間，設計團隊將研究長途飛行中的電池冷卻方案。

瑞士“陽光動力”計劃的兩位聯(lián)合發(fā)起人：貝特朗·皮卡爾（左）和安德烈·博爾施伯格。 來源：美國福布斯網(wǎng)站

設計團隊的專家稱，這次故障是電池板絕緣體出了問題。飛行中為充分吸收太陽能，飛機在白天的飛行高度達8500米，而夜間降至1500米，以降低能量供應。但他們未預計到熱帶氣候中的氣溫隨飛行高度變化而起伏明顯，絕緣體失效致電池過熱，出現(xiàn)故障。

北京航空航天大學航空科學與工程學院老師孫康文，專攻太陽能飛行器總體設計與能源系統(tǒng)優(yōu)化配置技術研究，曾參加“陽光動力2號”環(huán)球飛行-南京站活動，現(xiàn)場參觀了該架飛機。他在接受《環(huán)境與生活》采訪時表示：“這是技術出錯，但錯誤在所難免，因為飛機設計是高度復雜的系統(tǒng)工程，很多技術都需飛行檢驗和綜合應用實踐，才能得到修正?！柟鈩恿?號’可算作一次飛行檢驗，專家能做的是盡量少犯錯?！?/p>

上萬片電池板薄如發(fā)絲

“陽光動力2號”的原型是“陽光動力1號”，不過“1號”的最遠航行距離僅穿越了歐洲和北美，為讓“2號”實現(xiàn)環(huán)球夢想，設計人員做了許多改進。孫康文說，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率偏低，而且隨日照存在波動，這是太陽能應用在飛機上的最大障礙。為解決這一難題，目前主要采取的措施有提高太陽能電池效率、智能化能源管理、改善飛機氣動布局、多種能源系統(tǒng)綜合利用、優(yōu)化飛行路徑等。面對障礙，瑞士的設計團隊用一些創(chuàng)紀錄的數(shù)字告訴世界，他們可以在一定程度上克服這些障礙。

“傳統(tǒng)飛機只需考慮耗盡可用燃料所能持續(xù)飛行的時間，而太陽能飛機更多的要考慮晝夜循環(huán)飛行。為保證夜晚飛行的能量供應，必須有足夠的太陽能轉(zhuǎn)化為電能?！睂O老師介紹，為此，瑞士設計團隊將17248塊薄至135微米（約為兩根頭發(fā)絲粗）的單晶硅電池覆蓋于“陽光動力2號”的上翼面（“1號”電池的數(shù)量為1.1萬塊），每天可收集340千瓦時太陽能，這些能量以23%的光電轉(zhuǎn)化率儲存在鋰電池中，為4臺電驅(qū)發(fā)動機供電，效率比普通太陽能電池翻了一番。

2.3噸，這是一輛小貨車的重量，也是“陽光動力2號”的重量。機身越重，就需要越多能量為發(fā)動機供電。本著“嚴格規(guī)劃每一克重量”的理念，設計者采用碳纖維覆蓋下翼面，這種材料的強度是鋼鐵的5倍以上。

空氣動力學原理要求飛機必須有寬大“臂膀”，以實現(xiàn)機體的輕盈。為此，設計人員將翼展從第一代的63米增至71.9m，比波音747客機（世界首款寬體民用飛機，被稱為“空中女王”）還要大，超過了波音747-8機型的68.5米翼展，既滿足了空氣動力學的要求，還能儲存更多太陽能。20～100千米，現(xiàn)有飛行器能長期在這一高度飛行的很少。

“如果事情很容易，那么早就有人去做了?！边@是皮卡爾最喜歡說的一句話。他和自己的團隊以太陽能為出發(fā)點，用技術作行囊，將環(huán)游地球列入行動，證明了綠色能源新的可能性。

時速如同小汽車

這架形似滑翔機的空中新秀造價約1.5億瑞士法郎（約合人民幣近10億元），其中只有4%來自瑞士政府，大部分都由合作企業(yè)提供。這與瑞士的環(huán)保理念有關，該國希望建立有利于環(huán)境和生態(tài)的市場經(jīng)濟體系，因此政府重視以經(jīng)濟手段促進環(huán)保，強調(diào)企業(yè)應在環(huán)境污染治理、環(huán)保中發(fā)揮重要作用。世界首架環(huán)球航行的太陽能輪船、成功環(huán)繞地球的太陽能汽車，均由瑞士制造。孫老師說：“在瑞士，整個市場都非常注重環(huán)保?！逼髽I(yè)對環(huán)保項目出手闊綽也就不是新聞了。

相比其“土豪”式的成本，“陽光動力2號”的飛行速度卻不顯得那么耀眼。設計團隊稱，該機時速為36～140千米/小時，如同普通小汽車的速度，與噴氣式飛機800千米/小時的時速也相距甚遠。于是有網(wǎng)友疑問，太陽能飛機大規(guī)模應用于客運可能嗎？

“近期基本不可能?！睂O康文說，它目前與常規(guī)飛機根本沒法比，載荷能力太小，受環(huán)境影響大，沒有陽光的話很成問題。但從長期發(fā)展的觀點來看，太陽能是取之不竭的能源，不排除創(chuàng)新的設計能解決目前所面臨的問題。

“臨近空間”是研究熱點

就現(xiàn)階段來說，太陽能無人機仍是發(fā)展主流。太陽能無人機有長巡航時間的特性，動輒連續(xù)飛行幾天，甚至數(shù)周數(shù)月不落地，無人機可利用這一優(yōu)勢作通訊或監(jiān)視平臺。孫康文介紹，我國太陽能無人機還處于初期發(fā)展階段，出現(xiàn)了百家爭鳴的狀態(tài)。這類飛行器的應用優(yōu)勢明顯，可替代衛(wèi)星實現(xiàn)通信中繼、信息傳輸、災害監(jiān)測等眾多任務，是大家爭先研究的主要原因之一。

孫老師告訴《環(huán)境與生活》，現(xiàn)在及未來一段時間肯定是太陽能無人機優(yōu)先進入市場。瑞士設計這架價值不菲的太陽能載人機，目的在于探索下一階段的發(fā)展方向?！昂芏嘈录夹g的發(fā)展初期，投入都是巨大的，都需要過程。研發(fā)‘陽光動力2號’，指明了‘臨近空間’這個空域是現(xiàn)在發(fā)展的熱點?！迸R近空間即航空與航天的結(jié)合部，距地面

減排有功但非零污染

太陽能載人飛機靠減排讓人舒心。據(jù)國際航空運輸執(zhí)行協(xié)會（ATAG）的數(shù)據(jù)，全球因航班運行排放的二氧化碳，約占全球人為二氧化碳總排放量的2%。這些航班幾乎全采用不可再生的燃油作燃料。若在2020年前采用6%的生物燃料作為飛行燃料，全球的碳足跡將減少5%。毫無疑問，如采用太陽能這一清潔能源，航班飛行釋放的二氧化碳量必將明顯減少。但“沒有什么是完美的”，這句話同樣適用于“陽光動力2號”。

全球最大的專業(yè)技術組織電氣電子工程師學會（IEEE）的調(diào)查顯示，在生產(chǎn)太陽能電池板的過程中，原材料石英的提煉對礦工身體傷害巨大，生產(chǎn)時產(chǎn)生的有毒化合物四氯化硅、三氯氫硅等，因回收費用昂貴或遭遇被丟棄的命運，而一旦被丟入水中，將使土壤酸化，并釋放有害氣體。

對此，孫老師回應：“任何技術都是一把雙刃劍，環(huán)境問題也需要綜合考慮利弊，正如我們在進行飛機設計時更多地會考慮壽命周期費用，環(huán)境污染也應該從壽命周期污染去判斷?！眽勖芷谫M用包括整個項目壽命周期內(nèi)的研究和研制費用、投資費用、使用和保障費用以及廢棄物處置費用，不應拘泥于某一個時間點。新技術從發(fā)展到成熟有個過程，應該有綜合的解決方案。

本欄目責編/葉曉婷 yexiaoting@vip.163.com（本文寫作過程中參考了瑞士“陽光動力”官網(wǎng)、航空運輸執(zhí)行協(xié)會官網(wǎng)、維基百科、美國有線電視新聞網(wǎng)、中國科技網(wǎng)等網(wǎng)站信息，特此聲明并致謝。）

機體上翼面覆蓋17248塊單晶硅電池，每塊電池的厚度僅如兩根頭發(fā)絲。