◎特約撰稿 吳葉菡

“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”中途“趴窩”太陽(yáng)能載人飛機(jī)環(huán)球之旅的啟示

◎特約撰稿 吳葉菡

不耗一滴燃油，超長(zhǎng)航時(shí)晝夜飛行，在2015年環(huán)繞地球一圈——這是瑞士設(shè)計(jì)的目前世界上最大太陽(yáng)能載人飛機(jī)“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的目標(biāo)。今年3月9日，它從阿聯(lián)酋首都阿布扎比出發(fā)，開(kāi)始環(huán)球航行，并計(jì)劃8月份返回起點(diǎn)。這項(xiàng)刷新人類(lèi)飛行歷史的事件，引發(fā)全世界的關(guān)注。然而，如今8月早已過(guò)去，這架象征著清潔能源新技術(shù)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(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院老師孫康文，請(qǐng)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(yáng)光動(dòng)力”計(jì)劃的聯(lián)合發(fā)起人、瑞士著名探險(xiǎn)家貝特朗·皮卡爾說(shuō)著這番話，和也是發(fā)起人之一的安德烈·博爾施伯格，坐進(jìn)不必耗費(fèi)一滴燃油、完全利用太陽(yáng)能便可晝夜連續(xù)飛行的載人飛機(jī)——“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”（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(jī)，開(kāi)始了改寫(xiě)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?dāng)時(shí)，我最擔(dān)心的事情就是熱氣球燃料耗盡。所以我對(duì)自己承諾：下一次，我要不使用一滴燃料?！庇谑?，他大膽地想到了駕駛太陽(yáng)能飛機(jī)。在向瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院咨詢技術(shù)可行性時(shí)，皮卡爾結(jié)識(shí)了博爾施伯格，對(duì)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(gè)愛(ài)好：飛行和創(chuàng)新。

其實(shí)早在十多年前，兩人就曾邀請(qǐng)航空公司為他們?cè)O(shè)計(jì)、制造太陽(yáng)能飛機(jī)，卻遭到拒絕，因?yàn)檫@是“不可能完成的事情”。于是，兩人決定自己組建設(shè)計(jì)、制造團(tuán)隊(duì)。2009年，他們?cè)斐隽恕瓣?yáng)光動(dòng)力1號(hào)”，并于當(dāng)年6月實(shí)現(xiàn)首飛。2014年4月，“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”研發(fā)成功，飛機(jī)集合了全球80多家公司所提供的創(chuàng)意、技術(shù)解決方案，其中只有一家公司來(lái)自航空界。而且，這架飛機(jī)上的每一個(gè)設(shè)計(jì)，都可以在其他地方得到應(yīng)用，比如飛機(jī)駕駛艙的絕緣材料技術(shù)，也可應(yīng)用于冰箱制造。

“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”是目前世界上最大的太陽(yáng)能飛機(jī)，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(yáng)能電池。白天，飛機(jī)“汲取”太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，攀升至近萬(wàn)米高空飛行；晚上，它逐漸下降到3000米左右的高度，依靠?jī)?chǔ)存在電池里的電能繼續(xù)飛行。飛機(jī)沒(méi)有減壓艙，溫度落差極大，白天氣溫最高可達(dá)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(shè)備的特殊服裝，以適應(yīng)溫度變化。機(jī)艙座椅下面設(shè)有馬桶裝置，解決飛行員如廁問(wèn)題。機(jī)上設(shè)有通話、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，可隨時(shí)與地面聯(lián)絡(luò)。

兩位發(fā)起人表示，“陽(yáng)光動(dòng)力號(hào)”飛機(jī)的誕生并不是為了制造太陽(yáng)能載客飛機(jī)，而是希望通過(guò)環(huán)球飛行傳遞一個(gè)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(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”

電池出故障滯留夏威夷

“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”原計(jì)劃自3月起以阿布扎比的沙漠為起點(diǎn)，一路西行，途中在阿曼、印度、緬甸、中國(guó)（重慶和南京）、美國(guó)、南歐或北非等地區(qū)共12個(gè)城市作短暫停留，然后于8月返回阿布扎比。整個(gè)環(huán)球飛行距離約3.5萬(wàn)公里，計(jì)劃耗時(shí)5個(gè)月。

4月下旬，“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”抵達(dá)南京，向公眾開(kāi)放參觀。

孫康文/攝

4月21日，飛機(jī)抵達(dá)南京，按原定計(jì)劃停留3周，為之后飛往美國(guó)夏威夷的長(zhǎng)途飛行做準(zhǔn)備。南京至夏威夷是此次環(huán)球旅行中航線最長(zhǎng)、最具挑戰(zhàn)的一段旅程，直線距離約8500公里，預(yù)定飛行5天5夜。5月底，飛機(jī)離開(kāi)南京，然而，海面上空的強(qiáng)風(fēng)不斷摧殘機(jī)翼，博爾施伯格只得駕機(jī)緊急迫降于日本名古屋機(jī)場(chǎng)，滯留時(shí)間達(dá)1個(gè)月。直到6月28日，飛機(jī)重新啟程，歷時(shí)117小時(shí)52分鐘、飛行7212公里，才抵達(dá)太平洋中部的夏威夷。它創(chuàng)造了3項(xiàng)世界紀(jì)錄：最長(zhǎng)時(shí)間太陽(yáng)能飛機(jī)不間斷飛行、最長(zhǎng)時(shí)間單人駕機(jī)飛行和最遠(yuǎn)距離太陽(yáng)能動(dòng)力飛行。但是，這也付出了巨大的代價(jià)。

從離開(kāi)日本的第一天開(kāi)始，飛機(jī)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(jī)場(chǎng)進(jìn)行整修。由于過(guò)了夏至，北半球白天時(shí)間開(kāi)始縮短，恐怕陽(yáng)光供能不足，皮卡爾估計(jì)2015年完成預(yù)定環(huán)球行程已經(jīng)不大可能，預(yù)計(jì)明年4月才能重新起航。在這期間，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將研究長(zhǎng)途飛行中的電池冷卻方案。

瑞士“陽(yáng)光動(dòng)力”計(jì)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(lái)源：美國(guó)福布斯網(wǎng)站

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的專(zhuān)家稱，這次故障是電池板絕緣體出了問(wèn)題。飛行中為充分吸收太陽(yáng)能，飛機(jī)在白天的飛行高度達(dá)8500米，而夜間降至1500米，以降低能量供應(yīng)。但他們未預(yù)計(jì)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(guò)熱，出現(xiàn)故障。

北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院老師孫康文，專(zhuān)攻太陽(yáng)能飛行器總體設(shè)計(jì)與能源系統(tǒng)優(yōu)化配置技術(shù)研究，曾參加“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”環(huán)球飛行-南京站活動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)參觀了該架飛機(jī)。他在接受《環(huán)境與生活》采訪時(shí)表示：“這是技術(shù)出錯(cuò)，但錯(cuò)誤在所難免，因?yàn)轱w機(jī)設(shè)計(jì)是高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，很多技術(shù)都需飛行檢驗(yàn)和綜合應(yīng)用實(shí)踐，才能得到修正?！?yáng)光動(dòng)力2號(hào)’可算作一次飛行檢驗(yàn)，專(zhuān)家能做的是盡量少犯錯(cuò)?！?/p>

上萬(wàn)片電池板薄如發(fā)絲

“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的原型是“陽(yáng)光動(dòng)力1號(hào)”，不過(guò)“1號(hào)”的最遠(yuǎn)航行距離僅穿越了歐洲和北美，為讓“2號(hào)”實(shí)現(xiàn)環(huán)球夢(mèng)想，設(shè)計(jì)人員做了許多改進(jìn)。孫康文說(shuō)，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率偏低，而且隨日照存在波動(dòng)，這是太陽(yáng)能應(yīng)用在飛機(jī)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(yáng)能電池效率、智能化能源管理、改善飛機(jī)氣動(dòng)布局、多種能源系統(tǒng)綜合利用、優(yōu)化飛行路徑等。面對(duì)障礙，瑞士的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)用一些創(chuàng)紀(jì)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(jī)只需考慮耗盡可用燃料所能持續(xù)飛行的時(shí)間，而太陽(yáng)能飛機(jī)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(yīng)，必須有足夠的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能?！睂O老師介紹，為此，瑞士設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的上翼面（“1號(hào)”電池的數(shù)量為1.1萬(wàn)塊），每天可收集340千瓦時(shí)太陽(yáng)能，這些能量以23%的光電轉(zhuǎn)化率儲(chǔ)存在鋰電池中，為4臺(tái)電驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)供電，效率比普通太陽(yáng)能電池翻了一番。

2.3噸，這是一輛小貨車(chē)的重量，也是“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的重量。機(jī)身越重，就需要越多能量為發(fā)動(dòng)機(jī)供電。本著“嚴(yán)格規(guī)劃每一克重量”的理念，設(shè)計(jì)者采用碳纖維覆蓋下翼面，這種材料的強(qiáng)度是鋼鐵的5倍以上。

空氣動(dòng)力學(xué)原理要求飛機(jī)必須有寬大“臂膀”，以實(shí)現(xiàn)機(jī)體的輕盈。為此，設(shè)計(jì)人員將翼展從第一代的63米增至71.9m，比波音747客機(jī)（世界首款寬體民用飛機(jī)，被稱為“空中女王”）還要大，超過(guò)了波音747-8機(jī)型的68.5米翼展，既滿足了空氣動(dòng)力學(xué)的要求，還能儲(chǔ)存更多太陽(yáng)能。20～100千米，現(xiàn)有飛行器能長(zhǎng)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(shuō)的一句話。他和自己的團(tuán)隊(duì)以太陽(yáng)能為出發(fā)點(diǎn)，用技術(shù)作行囊，將環(huán)游地球列入行動(dòng)，證明了綠色能源新的可能性。

時(shí)速如同小汽車(chē)

這架形似滑翔機(jī)的空中新秀造價(jià)約1.5億瑞士法郎（約合人民幣近10億元），其中只有4%來(lái)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(guān)，該國(guó)希望建立有利于環(huán)境和生態(tài)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系，因此政府重視以經(jīng)濟(jì)手段促進(jìn)環(huán)保，強(qiáng)調(diào)企業(yè)應(yīng)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(yáng)能輪船、成功環(huán)繞地球的太陽(yáng)能汽車(chē)，均由瑞士制造。孫老師說(shuō)：“在瑞士，整個(gè)市場(chǎng)都非常注重環(huán)保?！逼髽I(yè)對(duì)環(huán)保項(xiàng)目出手闊綽也就不是新聞了。

相比其“土豪”式的成本，“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”的飛行速度卻不顯得那么耀眼。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)稱，該機(jī)時(shí)速為36～140千米/小時(shí)，如同普通小汽車(chē)的速度，與噴氣式飛機(jī)800千米/小時(shí)的時(shí)速也相距甚遠(yuǎn)。于是有網(wǎng)友疑問(wèn)，太陽(yáng)能飛機(jī)大規(guī)模應(yīng)用于客運(yùn)可能嗎？

“近期基本不可能。”孫康文說(shuō)，它目前與常規(guī)飛機(jī)根本沒(méi)法比，載荷能力太小，受環(huán)境影響大，沒(méi)有陽(yáng)光的話很成問(wèn)題。但從長(zhǎng)期發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)看，太陽(yáng)能是取之不竭的能源，不排除創(chuàng)新的設(shè)計(jì)能解決目前所面臨的問(wèn)題。

“臨近空間”是研究熱點(diǎn)

就現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)仍是發(fā)展主流。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)有長(zhǎng)巡航時(shí)間的特性，動(dòng)輒連續(xù)飛行幾天，甚至數(shù)周數(shù)月不落地，無(wú)人機(jī)可利用這一優(yōu)勢(shì)作通訊或監(jiān)視平臺(tái)。孫康文介紹，我國(guó)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)還處于初期發(fā)展階段，出現(xiàn)了百家爭(zhēng)鳴的狀態(tài)。這類(lèi)飛行器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，可替代衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信中繼、信息傳輸、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等眾多任務(wù)，是大家爭(zhēng)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(lái)一段時(shí)間肯定是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)優(yōu)先進(jìn)入市場(chǎng)。瑞士設(shè)計(jì)這架價(jià)值不菲的太陽(yáng)能載人機(jī)，目的在于探索下一階段的發(fā)展方向?！昂芏嘈录夹g(shù)的發(fā)展初期，投入都是巨大的，都需要過(guò)程。研發(fā)‘陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)’，指明了‘臨近空間’這個(gè)空域是現(xiàn)在發(fā)展的熱點(diǎn)。”臨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(yáng)能載人飛機(jī)靠減排讓人舒心。據(jù)國(guó)際航空運(yùn)輸執(zhí)行協(xié)會(huì)（ATAG）的數(shù)據(jù)，全球因航班運(yùn)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(wú)疑問(wèn)，如采用太陽(yáng)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(méi)有什么是完美的”，這句話同樣適用于“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”。

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

對(duì)此，孫老師回應(yīng)：“任何技術(shù)都是一把雙刃劍，環(huán)境問(wèn)題也需要綜合考慮利弊，正如我們?cè)谶M(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)更多地會(huì)考慮壽命周期費(fèi)用，環(huán)境污染也應(yīng)該從壽命周期污染去判斷?！眽勖芷谫M(fèi)用包括整個(gè)項(xiàng)目壽命周期內(nèi)的研究和研制費(fèi)用、投資費(fèi)用、使用和保障費(fèi)用以及廢棄物處置費(fèi)用，不應(yīng)拘泥于某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。新技術(shù)從發(fā)展到成熟有個(gè)過(guò)程，應(yīng)該有綜合的解決方案。

本欄目責(zé)編/葉曉婷 yexiaoting@vip.163.com（本文寫(xiě)作過(guò)程中參考了瑞士“陽(yáng)光動(dòng)力”官網(wǎng)、航空運(yùn)輸執(zhí)行協(xié)會(huì)官網(wǎng)、維基百科、美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)、中國(guó)科技網(wǎng)等網(wǎng)站信息，特此聲明并致謝。）

機(jī)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。