飛向太空的邊緣

唐輝

對于太陽能載人飛機(jī)而言，2016年注定是不平凡的一年，在“陽光動力”2號（Solar Impulse II）經(jīng)過跨年度的長途飛行，花費(fèi)558小時7分鐘，飛越42 438千米航程，于2016年7月23日創(chuàng)造了第一次太陽能載人飛機(jī)的世界紀(jì)錄之后，從另一家近年來積極進(jìn)行太陽能載人飛機(jī)研制工作的瑞士新技術(shù)公司——“陽光躍層”（SolarStratos）又傳來消息，經(jīng)過兩年的努力工作之后，他們于2016年12月7日正式推出其同名的太陽能載人飛機(jī)，準(zhǔn)備向平流層發(fā)起挑戰(zhàn)，成為第一種可以觸到太空邊緣的太陽能載人飛機(jī)。

“陽光躍層”的團(tuán)隊(duì)希望日后能以較低成本讓游客往返于平流層。

“太陽能狂人”的新挑戰(zhàn)

拉斐爾·多米楊，是“陽光躍層”公司的發(fā)起人，同時也將是駕機(jī)飛向天空邊界的飛行員，是一個著名的“太陽能狂人”，1972年1月19日在瑞士的納沙泰爾出生，在其青少年時代，就已經(jīng)萌生了“消耗盡可能少的能源旅行于世界各地”的夢想。1998年，多米楊參加了非政府組織“瑞士救援”的創(chuàng)建，為了資助這個關(guān)注環(huán)境問題的協(xié)會，其創(chuàng)始成員們在世界上第一個“太陽能服務(wù)器”上托管了該協(xié)會的網(wǎng)站，這是他第一次關(guān)注到太陽能的應(yīng)用。而在莫拉特湖參觀了為2002年瑞士國家博覽會展出的太陽能雙體船之后，多米楊產(chǎn)生了一個在太陽能船上環(huán)游世界的想法。2005年，多米楊將其籌劃已久的計(jì)劃付諸實(shí)施，組建了一個團(tuán)隊(duì)來研制他的太陽能船“行星陽光”號（PlanetSolar），并拉到了足夠的贊助。5年之后的2010年9月27日，作為這艘具有537平方米太陽能電池板、前所未有的小船的船長，多米楊與招募的另兩位船員開始了環(huán)球之旅，并于2012年5月4日回到了起點(diǎn)，成為了世界上第一個乘坐自造的太陽能船只進(jìn)行環(huán)球航行的人。

而正是在駕駛“行星陽光”號橫越大西洋的某個夜晚，多米楊仰望漫天繁星，忽然間想到了他將要獲取的第二個目標(biāo)：利用太陽能動力飛上天空，接近太空的邊緣，在地平線弧面的背景下觀察壯麗的星空！通過太陽能船的環(huán)游世界，多米楊已經(jīng)向世界證明了來自太陽的無窮能量的效力，這是清潔、無污染的可再生能源，人們并非只能使用經(jīng)過提煉的化石燃料才能獲得能源供應(yīng)，而太陽能載人飛機(jī)將會進(jìn)一步證實(shí)他的觀點(diǎn)。

“陽光躍層”（SolarStratos）太陽能載人飛機(jī)項(xiàng)目于2014年3月正式啟動，這個命名不僅僅是“太陽能”和“平流層”的合稱，也代表了多米楊正在不斷追求太陽能技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的提高，以創(chuàng)造一個可持續(xù)發(fā)展的世界，在他看來，“陽光躍層”是開拓精神、夢想、創(chuàng)新的象征，目的是展示可再生能源及提高其效率的潛力。

“使用創(chuàng)新、探索的精神和夢想，改變我們的社會，來創(chuàng)造一個更美好的世界?！倍嗝讞钫f道：“今天，冒險和探索并非是為了發(fā)現(xiàn)未知的大陸或打破某項(xiàng)紀(jì)錄，最主要的目的應(yīng)該是保護(hù)地球環(huán)境及其生物多樣性，以這種方式，我們可以對進(jìn)步和創(chuàng)新這些術(shù)語重新定義，以表達(dá)其真正的意義?！?/p>

新太陽能飛機(jī)“陽光躍層”

自從成立以來，“陽光躍層”公司已經(jīng)從贊助商手里募集了大約500萬美元，用于研制第一架試驗(yàn)飛機(jī)。目前，在位于瑞士伊韋爾東勒邦的一個工業(yè)區(qū)的邊緣，這個小團(tuán)隊(duì)的冒險家們正在準(zhǔn)備飛向太空邊緣的任務(wù)。如果成功，他們的太陽能飛機(jī)飛行高度將高于之前的任何太陽能載人飛機(jī)，并表明可再生能源不僅足以匹敵、也可以超過化石燃料的效能。剛完成了環(huán)球飛行的“陽光動力”2號及其研制者兼飛行員伯特蘭·皮卡德對“陽光躍層”團(tuán)隊(duì)也是一個有力的鼓舞——兩家公司都位于洛桑附近，研制者都是瑞士人，都相信這些冒險可以激勵人們采取行動，以應(yīng)對全球變暖的氣候變化。

試驗(yàn)飛機(jī)基于PC Aero單座電動飛機(jī)的改裝，“陽光躍層”版本將更輕，并在機(jī)翼上表面鋪設(shè)太陽能電池板，更重要的是，它將有兩個座位，在未來可以搭載乘客。根據(jù)公司提供的數(shù)據(jù)，“陽光躍層”空重450千克，機(jī)長8.5米，翼展24.8米，共鋪設(shè)有22平方米的太陽能電池板，單螺旋槳，由兩臺串聯(lián)布置的19千瓦電動機(jī)驅(qū)動，另外，為了提供額外的爬升能量，以及用作儲備能源，還安裝有一個20千瓦時的鋰電池。

多米楊聲稱，飛機(jī)改裝所使用的技術(shù)，都是“可以在超市找到”的成熟貨架產(chǎn)品。雖然飛機(jī)的大部分零部件都是現(xiàn)成的，但用于平流層這種極限狀態(tài)時，仍有相當(dāng)數(shù)量的零部件需要從頭開發(fā)。例如，位于奧地利的電池公司凱萊塞電氣正在為“陽光躍層”研究一種實(shí)驗(yàn)性的鋰離子電池，可在惡劣的平流層條件下安全運(yùn)行。多米楊表露了他的擔(dān)心：“如果我們在平流層中有電池的問題，那就完蛋了?！钡?，如果任務(wù)可以按計(jì)劃進(jìn)行，“陽光躍層”將只使用太陽能起飛和降落，鋰電池幾乎完全充電，僅處于備用狀態(tài)。

?“陽光躍層”的目標(biāo)巡航高度為25 000米，為此多米楊邀請俄羅斯“星星”科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體量身定制了飛行服。圖為多米楊在“陽光躍層”號和定制飛行服前接受媒體拍照。

另外一個挑戰(zhàn)，是要保持乘客的存活，這可是生死攸關(guān)的大事，在25 000米的設(shè)計(jì)巡航高度，氣溫降低到了-70℃，氣壓只有0.019個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，而飛機(jī)本身由于設(shè)計(jì)原因，沒有設(shè)置增壓座艙，這樣，乘客們就得像宇航員一樣，穿戴專用的宇航服，以維持適當(dāng)?shù)臍鈮汉蜏囟?，宇航服將從飛機(jī)獲得供電，以維持其正常工作?！瓣柟廛S層”公司已經(jīng)從俄羅斯獲得了幫助，著名的航空航天企業(yè)——“星星”科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體（NPP Zvezda）將為他們專門開發(fā)一套特制的輕型宇航服，盡量去除不必要的軍工技術(shù)要求，以降低重量和成本。第一套宇航服價值約100萬美元，將免費(fèi)捐贈給“陽光躍層”公司。

“陽光躍層”太陽能飛機(jī)的巡航高度目標(biāo)為25 000米，這將在2018年的試飛中達(dá)到，預(yù)期需要2小時30分鐘才能爬升到巡航高度，進(jìn)行15分鐘平飛，收集試驗(yàn)參數(shù)之后，再花3個小時回到地面基地。然而，這是未來的遠(yuǎn)期目標(biāo)，在近期，飛機(jī)將首先進(jìn)行試飛，經(jīng)過調(diào)試之后，在2017年下半年，向第一個高度目標(biāo)——由皮卡德和“陽光動力”2號達(dá)到9 420米發(fā)起沖擊。多米楊將獨(dú)自完成試飛任務(wù)，以降低不必要的危險性，為了安全起見，盡管并不算胖，多米楊還要在試飛前再減肥至少10千克，“我們必須小心重量，這是一個很大的、巨大的挑戰(zhàn)?！?多米楊為此評論道。

事實(shí)上，“陽光躍層”的巡航高度離國際航空聯(lián)合會規(guī)定的太空邊界——高度100千米還遠(yuǎn)得很，但這并不妨礙其宣傳“接觸太空邊緣”，因?yàn)閭鹘y(tǒng)航空器多在距地面20 000米高度以下活動，民航班機(jī)的巡航高度只有9 000米左右，目前國際上將高度20千米到100千米的范圍定義為臨近空間，只要進(jìn)入這個范圍，就算是“太空邊緣”了。作為吸引眼球的噱頭，“陽光躍層”的宣傳還是很到位的。

與太陽能高空無人機(jī)

“太陽神”的對比

從重量上和飛行高度來比較，美國國家航空航天局（NASA）和航空環(huán)境公司（Aero Vironment）共同開發(fā)的太陽能高空無人機(jī)“太陽神”與“陽光躍層”是同一個量級的太陽能飛機(jī)，但是其設(shè)計(jì)方向卻明顯不同?！疤柹瘛笔莻鹘y(tǒng)的低速、低翼載荷、高升阻比太陽能無人機(jī)，翼展高達(dá)75.3米，機(jī)翼弦長2.44米，翼面積達(dá)183.57平方米，空重599千克，任務(wù)載荷100磅（約45.4千克）時，巡航高度可達(dá)10萬英尺（約30 480米），任務(wù)載荷600磅（約272.2千克）時，巡航高度為7萬英尺（約21 336米），推進(jìn)系統(tǒng)為14臺電動機(jī)，單臺功率1.47千瓦。

而“陽光躍層”則是脫胎于電動滑翔機(jī)，翼載荷較高，電動機(jī)的總功率也較大，這使得“陽光躍層”具有更高的速度以及較好的抗氣流干擾能力，這對于沒有配備飛行員降落傘的“陽光躍層”是至關(guān)重要的，因?yàn)樵诖┰綄α鲗樱s12千米以下）時，一旦遭遇外界突風(fēng)、大氣湍流等意外情況時，低翼載荷、高升阻比會導(dǎo)致氣動力太大，甚至超過機(jī)體材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這也是“太陽神”無人機(jī)在2003年6月空中解體的重要原因。

“陽光躍層”的螺旋槳設(shè)計(jì)也明顯不同于“太陽神”。在平流層中，由于空氣密度顯著下降，螺旋槳需要更大的直徑和槳距，才能產(chǎn)生足夠的推力，而由于高空聲速下降，大直徑的螺旋槳槳尖容易產(chǎn)生激波，導(dǎo)致推進(jìn)效率下降，這是兩難的設(shè)計(jì)要求。目前看來，“陽光躍層”的螺旋槳放棄了大直徑設(shè)計(jì)，這樣就需要較高的轉(zhuǎn)速，其三葉槳的槳葉形狀明顯不同于普通螺旋槳，槳葉弦長較大的部位更加接近槳轂，至槳尖收縮為尖細(xì)的竹葉狀，可以在一定程度上降低槳尖激波的影響，使得螺旋槳在各個運(yùn)行高度都有較高的推力和推進(jìn)效率。

“陽光躍層”能成功嗎？

雖然“陽光躍層”的項(xiàng)目仍在穩(wěn)步推進(jìn)中，但仍然有許多未知數(shù)等待解答。首當(dāng)其沖的就是后續(xù)的費(fèi)用問題，估計(jì)需要再募集500萬美元，才能完成接下來的測試工作。另外，太陽能電池板和鋰電池會不會出問題，飛機(jī)是否可以順利往返平流層，都是將來需要面對的問題。

事實(shí)上，雖然飛機(jī)還沒有上天，多米楊已經(jīng)開始謀劃未來的商業(yè)化運(yùn)營，將“陽光躍層”公司轉(zhuǎn)變?yōu)閷I(yè)的太陽能飛機(jī)制造商，既可以生產(chǎn)載人飛機(jī)，也可以生產(chǎn)無人飛機(jī)，并進(jìn)一步推出太陽能平流層旅游業(yè)務(wù)?！拔覀兊娘w機(jī)將是商業(yè)舞臺之前的第一步，”他解釋說。計(jì)劃是設(shè)計(jì)生產(chǎn)一種帶增壓座艙的三人太陽能飛機(jī)，到2021年開始運(yùn)營搭載付費(fèi)客戶的商業(yè)航班。

“陽光躍層”的未來商業(yè)競爭路途上不會孤單，目前已有Zero2Infinity，Space Vision和WorldView等多家公司正在設(shè)計(jì)同樣用于平流層觀光的氣球項(xiàng)目，預(yù)計(jì)搭載價格在7.5萬到12萬美元之間。對此多米楊宣布：“目標(biāo)是比氣球便宜?！惫灸壳耙呀?jīng)提供搭載太陽能飛機(jī)飛進(jìn)平流層邊緣的機(jī)會，只需要愿意支付6萬美元，對客戶具有明顯的吸引力。

但是，與未來的錢途相比，多米楊更加希望，通過這種使用太陽能將人帶到太空邊緣的服務(wù)，會使更多的人認(rèn)可太陽能和可再生能源，成為促進(jìn)清潔能源進(jìn)一步發(fā)展的重要推動力?！斑@可能是一個讓人類改變的巨大機(jī)會，以使用那些我們從天空中免費(fèi)獲得的能源?！?/p>

責(zé)任編輯：王鑫邦