方達(dá)

日前，全球最大太陽(yáng)能飛機(jī)“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”抵達(dá)南京?！按箫w機(jī)”在中國(guó)境內(nèi)的旅途一波三折，因受天氣影響太大，其抵達(dá)中國(guó)首站重慶的時(shí)間就比原定計(jì)劃推遲了10天。

據(jù)悉， “陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”由瑞士制造，在不使用任何燃油的情況下進(jìn)行環(huán)球飛行，僅依靠機(jī)翼上17248塊超高效率的太陽(yáng)能電池提供動(dòng)力，電池板吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，傳播“未來(lái)可屬于清潔技術(shù)和可再生能源”的理念。其將空氣動(dòng)力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)、電子、人機(jī)工程學(xué)等方面的最新技術(shù)集于一體，所采用的單晶硅薄膜太陽(yáng)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(yáng)能飛機(jī)環(huán)球飛行中唯一完全在中國(guó)境內(nèi)的航段。

“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”太陽(yáng)能飛機(jī)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(yáng)能已成功飛行75小時(shí)，6000多公里。重慶和南京站之后將飛越太平洋、美國(guó)、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(yáng)能清潔飛行歷史

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

上世紀(jì)70年代，太陽(yáng)能飛機(jī)是單座小型飛機(jī)上安裝太陽(yáng)能電池，勉強(qiáng)能飛。1981年，“太陽(yáng)挑戰(zhàn)者”號(hào)太陽(yáng)能飛機(jī)飛越了英吉利海峽，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的記錄。2001年，最著名的太陽(yáng)能飛機(jī)“太陽(yáng)神”號(hào)完成了無(wú)燃料飛行器飛行海拔高度紀(jì)錄，飛行高度29524米?！疤?yáng)神”擁有可提供40千瓦峰值功率的太陽(yáng)能電池組，配合普通電池與液氫電動(dòng)機(jī)可完成長(zhǎng)達(dá)兩周不間斷無(wú)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(yáng)能動(dòng)力飛機(jī)（陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)），日夜兼程，用時(shí)四到五個(gè)月穿越海洋陸地，完成人類史上首次環(huán)球太陽(yáng)能飛行計(jì)劃。

本次啟程的“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”，是Bertrand Piccard和André Borschberg制造的第二款太陽(yáng)能飛機(jī)。初代產(chǎn)品“陽(yáng)光動(dòng)力號(hào)”曾在2012與2013年進(jìn)行長(zhǎng)距離飛行測(cè)試，2012年完成了瑞士飛往西班牙1116千米不停站紀(jì)錄，2013年則完成了橫跨美國(guó)的飛行測(cè)試。“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”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(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”大升級(jí)

據(jù)了解，曾經(jīng)的“陽(yáng)光動(dòng)力號(hào)”機(jī)身表面覆蓋12000個(gè)太陽(yáng)能電池陣列，展翼208英尺，四臺(tái)10馬力電動(dòng)機(jī)?！瓣?yáng)光動(dòng)力2號(hào)”是在1號(hào)的矚目中誕生，眾多大公司與學(xué)校參與了這個(gè)項(xiàng)目。飛機(jī)的翼展提升至71米（236英尺），核心部分太陽(yáng)能電池陣列換裝了全新薄膜太陽(yáng)能電池，能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)22.7%，共17248塊，能為飛機(jī)提供65千瓦的峰值功率。

動(dòng)力部分也有升級(jí)，在機(jī)翼下方四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙中，安裝了全新四臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)，動(dòng)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(shí)速提高到最高約90公里/小時(shí)。為滿足晝夜飛行需求，發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙中還安裝了633公斤重的鋰離子電池。但“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的難題不在白天，是在黑夜。經(jīng)過(guò)飛機(jī)制造團(tuán)隊(duì)全面優(yōu)化，在24小時(shí)周期內(nèi)飛機(jī)可輸出15千瓦穩(wěn)定功率。

“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的翼展超過(guò)72米，比魔音747-8型噴氣式飛機(jī)還長(zhǎng)6米。但747-8凈重超過(guò)300噸，而“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的重量?jī)H為2.3噸。與尺寸相比，這架薄如蟬翼的太陽(yáng)能飛機(jī)，得益于機(jī)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(qiáng)度完全能滿足飛機(jī)的機(jī)械要求。而且飛機(jī)表面使用的是柔性蒙皮，主要目標(biāo)也是減重。

“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”希望在2015年達(dá)成環(huán)球飛行的目標(biāo)，計(jì)劃單次飛行時(shí)間5晝夜，兩位飛行員輪換完成。實(shí)際上，完成這樣的飛行難度不在于飛機(jī)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(hào)”熱氣球從瑞士出發(fā)，歷時(shí)19天21小時(shí)47分鐘，飛行距離為45755公里。氣球的兩位駕駛員中，就有“陽(yáng)光動(dòng)力號(hào)”聯(lián)合創(chuàng)始人伯特蘭·皮卡德。當(dāng)年的氣球旅行舉世矚目，除氣球運(yùn)動(dòng)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(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”環(huán)球旅行相比，氣球飛行至少還能睡個(gè)好覺。在“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”計(jì)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(jiǎn)單休息，并且會(huì)有儀器監(jiān)控飛機(jī)狀態(tài)，如遇異常，會(huì)迅速把飛行員叫醒。要知道，與一般飛機(jī)不同，這架極限輕量化的太陽(yáng)能飛機(jī)動(dòng)力有限，同時(shí)翼展極寬，機(jī)翼載荷又很小，使得飛機(jī)非常容易受到氣流影響，難以控制。同時(shí)，為兼顧太陽(yáng)能電池充電，飛機(jī)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(yáng)能電池達(dá)到最大功率狀態(tài)充電。在后續(xù)旅程中，飛機(jī)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(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的機(jī)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(jī)艙溫度肯定會(huì)下降相當(dāng)大。而且狹小的機(jī)艙，吃飯喝水上廁所這樣簡(jiǎn)單的事情都會(huì)變得復(fù)雜起來(lái)。同時(shí)，飛行員既要克服空中飛行階段的無(wú)聊境況，休息時(shí)又要長(zhǎng)期保持專注。因此，這趟旅程對(duì)駕駛員的考驗(yàn)要大于飛行員。

最重要的還是象征意義

油一定是會(huì)燒光的，人類文明也是要繼續(xù)發(fā)展的。在可見的未來(lái)，太陽(yáng)能一定是最重要的新能源之一。目前，利用太陽(yáng)能基本上有兩種形式，一是太陽(yáng)能熱電，這種方式是匯聚太陽(yáng)光加熱鍋爐，利用水蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)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(yáng)能光伏發(fā)電，利用太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體材料上的光電效應(yīng)，是一種直接收集電子流動(dòng)發(fā)電的方式。按照制作材料，太陽(yáng)能電池分為硅基半導(dǎo)體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機(jī)材料電池等。其中硅電池又分單晶電池、多晶電池和無(wú)定形硅薄膜電池等。對(duì)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換效率，目前在實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)的硅基太陽(yáng)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(dá)19.8%，CdTe薄膜電池效率達(dá)19.6%，非晶硅（無(wú)定形硅）薄膜電池效率為10.1%。

在可見的未來(lái)，太陽(yáng)聚變能夠提供的光照是最穩(wěn)定的能量來(lái)源。在利用太陽(yáng)能這件事上，科學(xué)家們還有過(guò)更瘋狂的設(shè)想，“戴森球”就是其中之一。戴森球的概念源于美國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家弗里曼·戴森的思想實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為，任何技術(shù)文明對(duì)能量需求都是穩(wěn)定增長(zhǎng)，如果人類文明能夠延續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，就必然有一天對(duì)能量需求膨脹到利用其母恒星“全部”的能量輸出。他認(rèn)為，此時(shí)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(jiǎn)單說(shuō)，“戴森球”就是一個(gè)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(yáng)能輸出的能量巨大，如果人類能完全收集這些能量，就可實(shí)現(xiàn)一些非常宏偉的目標(biāo)，如改造行星，驅(qū)動(dòng)星際飛船。但“戴森球”最可能的建造方式絕不可能是一個(gè)密閉的殼體，因即使在一個(gè)天文單位上建造這個(gè)殼，所需建筑材料甚至超過(guò)整個(gè)太陽(yáng)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(yùn)行的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，它們可以是太陽(yáng)能衛(wèi)星或太空定居點(diǎn)組成。當(dāng)然了，這個(gè)上帝工程可能永遠(yuǎn)只是思想實(shí)驗(yàn)，但太陽(yáng)能開發(fā)的方向顯然是正確的。如此看來(lái)，“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”環(huán)球之旅最重要的還是象征意義，它象征著人類對(duì)新能源的探索精神和對(duì)未知旅程以及身體極限的挑戰(zhàn)。雖然現(xiàn)在太陽(yáng)能商業(yè)飛行還是夢(mèng)想，但正如伯特蘭·皮卡德所說(shuō)：這不僅是航空業(yè)的一次徹底變化，也是生活方式的一個(gè)完全轉(zhuǎn)變。