追隨陽光一路飛

曹偉

人類是一個熱衷挑戰的物種。最高的山，最深的海，最遠距離的飛行，這些挑戰除了考驗人的精神與體能，同時也考驗著技術水平。本刊曾在2012年9月刊《向深海挑戰》一文中介紹過兩位科學牛人奧古斯特·皮卡爾和雅克·皮卡爾。奧古斯特·皮卡爾曾經乘坐自己設計的熱氣球，飛到了22千米的高空，成為世界上首個到達如此高度的人。后來奧古斯特·皮卡爾和他的兒子雅克·皮卡爾一起造出了長15.1米、寬3.5米著名的“的里雅斯特”號深潛器。雅克·皮卡爾于1960年1月23日，下潛到深達10916米的馬里亞納海溝，成為了世界上潛得最深的人，這也是目前人類涉足的海洋最深處（著名電影導演詹姆斯·卡梅隆在2012年3月26日駕駛“深海挑戰者號”潛水器深潛的深度是10898米）。

俗話說，老子英雄兒好漢，冒險基因也會代代傳。現在雅克·皮卡爾的兒子貝特朗·皮卡爾和他的好友安德烈·波許博格又在進行一項世界級壯舉。他們正駕駛“陽光動力2號”飛機，進行純太陽能驅動環球飛行。這將是太陽能飛機歷史上首次載人作晝夜、長距離飛行。整個行程耗時4～5個月，飛機預計于今年夏天飛回始發地阿聯酋首都阿布扎比。“陽光動力2號”計劃經阿拉伯海，進入印度、緬甸、中國，然后跨越太平洋前往美國，再飛往南歐和北非，最后回到起點。在途經中國時，“陽光動力2號”分別在重慶和南京著陸停留。

什么是太陽能飛機？

太陽能飛機，顧名思義，利用太陽能作為動力的飛機，在機翼上表面裝有太陽能電池板，吸收、存貯太陽能，并將太陽能轉化為電能來驅動電動機工作。太陽能飛機和普通的客機畢竟不同，它們的飛行速度比較慢，且容易受天氣、風速的影響，因此無法在惡劣的天氣里飛行，需要氣象團隊做好氣象預測工作。白天，飛機的高度很高，以避開氣流并最大化利用太陽能，每天都要攀爬9000米的高度，這就相當于世界最高山脈喜馬拉雅山的高度；而到了晚上，飛機則處于半滑翔狀態，飛行高度也逐漸降低到1500米高度。由于白天和夜里的飛行高度不同，導致飛機里的溫差較大。因為“陽光動力2號”是一架單座飛機，只能容納一名飛行員，因此，只有在降落到地面并做停留時駕駛員才能稍做休息或進行換班。“陽光動力2號”的機艙不是密閉的，沒法保持溫度恒定，這意味著飛行員一天中相當于經歷了夏天和冬天，這對飛行員的身體來說，是一項非常大的挑戰。另外，飛行員每天的供給是2.4千克食物、2.5升水和1升運動飲料。5天5夜不上廁所是不可能的。所以“陽光動力2號”配備了“廁所”。“廁所”與飛行員的座椅一體相連，當飛行員“內急”時，便能夠“就地解決”，跟在家里上廁所基本上沒太大差別。

據南京航空航天大學鄭祥明副教授介紹，早在20世紀中期，世界上就已經開始了太陽能飛行器的研究。由于太陽能的采集、轉換和利用率低，一般太陽能飛機需要較大的機翼面積。太陽能飛機有望在航時、航程等方面取得突破，并且主要利用太陽能這種清潔、環保能源，能夠有效的減輕大氣污染和緩解能源緊缺狀況。目前，南京航空航天大學航空宇航學院也正在開展太陽能飛機的相關研究，甚至有一些本科生將太陽能飛機作為科創題目。

這是怎樣一架飛機？

“陽光動力2號”是一架集合了當今材料、電子、結構、人機工程學最頂尖技術于一體的大號玩具。它的機翼、機身和水平尾翼上共貼敷了17248片135微米厚的單晶硅薄膜太陽能電池，雖然23%的光電效率并不是世界上最高的，卻是平衡了能效、強度和重量后的最優選擇。這些電池可以產生最大70千瓦的功率，這些電力可以輸出給四臺單臺功率13.5千瓦的電動機帶動4個直徑4米的雙葉螺旋槳給飛機提供動力。整個推進系統的電力——動力轉換效率高達94%。

“陽光動力2號”翼展達到72米，比波音747-8型的翼展還要寬3.5米；機長22.4米，接近一個籃球場的長度；機高6.37米，相當于3層樓；而重量僅有2.3噸，跟一輛寶馬760Li的重量相差無幾。跟它巨大的尺寸相比，“陽光動力2號”的飛行性能數據可能會讓你有種回到萊特兄弟時代的感覺。它的起飛速度只有35千米/時，比博爾特奔跑的速度還要慢。巡航速度90千米/時，最大速度不過140千米/時，絕對是遵紀守法好司機的駕駛記錄水平。

江蘇省信息安全測評中心李和昌主任介紹，“陽光動力2號”太大、太輕，對氣流特別敏感，一不小心就會失控。所以即便有特別開發的自動駕駛儀和地面控制中心的實時監控，飛行員還是會在飛機姿態變化超過5°的時候被裝在手腕上的振動器喚醒。由于“陽光動力2號”的自動駕駛系統只能連續工作20分鐘，所以駕駛員必須改變睡眠習慣。從每天連續睡眠8小時，改為每天睡10次一次睡20分鐘。為了監控飛行員的身體狀況，火柴盒大小的遠程心電監測設備可以讓地面的醫學專家隨時獲得基本的參數。負責開發這套系統的公司也正在試圖將其裝配在汽車上，以防止疲勞駕駛。

太陽能飛機有啥優勢？

太陽能飛機是以太陽輻射作為推進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠能量，飛機上應有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設太陽能電池，因此太陽能飛機的機翼面積較大。相比傳統燃料飛機，太陽能飛機零燃油、零排放、可以晝夜不間斷飛行，渾身匯聚了高科技。用來制造太陽能飛機的碳纖維材質很輕，每平方米的重量為25克，是同樣面積與厚度紙張的1/3。無風情況下時速可達70千米，順風時速可達100多千米。白天，太陽能電池將多余的電能充入到機載鋰電池中，為夜間飛行儲備電能，因此，“陽光動力2號”的動力才能源源不斷。“陽光動力2號”白天會爬升到9000米的高度以避開氣流并最大化利用太陽能，此時的溫度急劇升高；夜晚則半滑翔飛行，逐漸降低到1500米高度，其速度并不快，因此夜里對能源的需求也大大減少。螺旋槳驅動器是飛機的關鍵部件，對太陽能飛機的飛行起著舉足輕重的作用，它的構成、工作原理和控制方式具有獨特的設計。

現在世界上通用的飛機，大多數使用吸氣式發動機提供動力，一遇高空稀薄空氣，發動機功率就會下降。因此，現有飛機的飛行高度和續航能力很難進一步提高，而以太陽能為動力的飛機可以彌補這些不足，飛得更高，飛得更遠。正是這些優點，使得太陽能飛機在無線通訊、資源調查、環境監測甚至軍事預警等方面有著廣泛用途。

雖然太陽能飛機可以載人進行環球飛行，但按照陽光動力公司設想，真正實現太陽能飛機的商業飛行，需要解決太陽能電池板功效問題。如果能解決，40多年后，能承載300名乘客的全太陽能飛機有望正式投入運營。

“陽光動力號”只是一個起點，地球上的油總有一天是會燒光的，人類文明也是要繼續發展的，在可見的未來，太陽能一定是最重要的新能源之一。隨著人類科技的進步，未來，使用太陽能的民用、商用航空飛機也必將誕生。