打造能环游地球的太阳能飞机

源济

瑞士科研人员采用聚合物锂电池和专门研制的只有打印纸一半重的碳纤维蒙皮打造出了太阳能飞机，并计划在2015年乘坐它进行环球飞行。

Courtesy of Solar Impulse

“阳光动力号”滑翔于阿尔卑斯山上空，它将于明年5月1日在美国首次试飞，航程从旧金山至纽约。

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特兰·皮卡德(Bertrand Piccard)在一次燃料耗尽的旅程中萌生了打造一架能环游地球的太阳能飞机的想法。1999年3月，皮卡德的热气球环球旅行进入最后一段行程──这也是有史以来首次热气球不间断环球飞行──他乘坐的“百年灵卫星3号”热气球(Breitling Orbiter 3)在埃及沙漠的上空低低地掠过，滑行一段后停在了起伏的旷野中。在爬出热气球踏上滚烫的沙地时，他检查了安在吊篮上的油箱，结果让他大吃一惊，这一刻成为了一个决定性的时刻。他回忆道：“我们离开瑞士时有四吨丙烷。最后只剩了40公斤！我们差点儿没有到达终点。当时我就发誓，下一次我要不使用任何燃料环游世界。”

今年55岁的皮卡德是一名受过专业教育的精神病医生，举止沉着又很热情。他出身于探险世家，所以他擅长于确保总会有“下一次”也就不足为奇了。上世纪30年代，他的祖父奥古斯特(Auguste)设计了一个配备增压座舱的热气球，打破了升空高度纪录，后来他成为了漫画《丁丁历险记》(The Adventures of Tintin)中卡尔库鲁斯教授(Professor Calculus)的人物原型。他的父亲雅克(Jacques)则在1960年乘坐另一种增压装置潜入太平洋底下七英里（约合11公里）处，创下潜水深度最高纪录，这一纪录只有两次被人追平。

2003年，皮卡德接洽了一些欧洲企业赞助他的项目（如今已发展为一个资金规模达1.48亿美元的项目），开始组建一个包括80名工程师和技师的团队，这些人员主要从瑞士各高校调来。在捣鼓了七年之后，他们建成了一部看似简单的装置──“阳光动力号”(Solar Impulse)。它线条明快简洁，颜色为白色高光，长208英尺（约合63米）的机翼角度有所倾斜（它们有些弯曲以增强飞机的稳定性）。它就像史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)重新构想出来的一架巨型巴尔沙木儿童滑翔机模型。

前瑞士空军王牌飞行员、麦肯锡公司(McKinsey & Company)顾问安德烈·博尔施伯格(Andre Borschberg)指出：“借助太阳能连续环球飞行的关键是要在太阳没出来时，特别是在晚上的时候还能飞行。”博尔施伯格也是该项目的首席执行长，负责管理设计团队并轮换驾驶飞机。最终的解决方案是四组专门研制出的聚合物锂电池，它们可储存源自安装在水平稳定器和机翼上的近12,000块太阳能电池嵌板的能量（这些电池板由个人赞助，每人出资200美元左右，美国前副总统阿尔·戈尔(Al Gore)也赞助了一块）。飞机在白天逐渐爬升至高达30,000英尺（约合9,150米）高度的期间，电池就会积蓄能量。在日落后，飞机会缓慢下降至较低的高度，凭借白天存储的能量飞行至黎明，然后这个过程又会重新开始。

Courtesy of Solar Impulse

“阳光动力号”驾驶员座舱的设计规格。

该飞机的设计最具革命性的方面是它采用了将重量降至最轻的材料。每一盎司不必要的重量都会被舍弃，以让飞机能够支撑哪怕只有一个飞行员的载荷。博尔施伯格回忆说：“当时我们进行了可行性研究，发现市面上的任何一种建材都无法让我们把飞机降到合适的重量。我们找了航空公司谈，看看他们是否能研制出这种材料，每个人都说那是不可能的，所以我们找到了一家造船公司。”

这家专门从事赛艇制造的公司名为“Decision SA”，位于瑞士埃库布朗(Ecublens)。它研发出长方形的碳纤维束，把它们压制成蜂窝状结构以减轻飞机内部结构的重量。他们接着在这个框架外蒙上一种专门研制的碳纤维蒙皮，一张打印纸大小的碳纤维蒙皮的重量只相当于纸的一半。皮卡德说：“实际上你能用手把飞机的蒙皮撕开，在宏观上如此坚固的东西在近处却那么脆弱，这真是有意思。”“阳光动力号”拥有与波音747一样长的翼展，但重量只有3,500磅（约合1,590公斤），只和一辆家用轿车一样重。但是，与汽车不同的是，它还可以被拆装为10个部分、然后装入飞机中运至世界的任一地方。

Courtesy of Solar Impulse

伯特兰•皮卡德（右）和安德烈•博尔施伯格将轮流驾驶“阳光动力号”。

在过去三年中，该飞机已经在欧洲和北非试飞了64次以为环球飞行做准备。它还将于明年5月1日实施在美洲的首次试飞，其间将在从旧金山至纽约的航程中停降几次，试飞将历时数周时间。

为计划于2015年实施的环球飞行研发的第二代“阳光动力号”以当前的样机为基础，它将由博尔施伯格和皮卡德轮流驾驶，期间将停落五六次左右。皮卡德说：“原来的设计效果不错，‘阳光动力号’的新改动主要是针对内部、尤其是座舱的。”

当“阳光动力号”以令人难以置信的低速缓慢地在跑道上滑行时，观看试飞的人可能很少会有人说它很精良。不过，在仅仅滑行了500英尺（约合152米）后，显著的变化就会发生：得益于其外表看不出来的轻盈机身，这个庞大的装置会以快得令人惊讶的速度腾空而起。升空之后，“阳光动力号”就会与风融为一体，以平均每小时43英里（约合69公里）的速度顺畅飞行，只有推进器稳定的呼呼声会打破天空的静谧。皮卡德说：“它甚至都不会震动，在无风的天气中，我可以用两根手指操控它。”

样机一次最多只飞行了26个小时，但新机需要飞行更长时间──最多要达120个小时──以飞越海洋和其他一些地形地带。对飞机的改进包括设计了一个密封座舱、一个可完全放平以让飞行员小睡片刻的座椅以及在座椅下安了一个马桶。皮卡德委婉地解释道，当前的临时安排是“起飞时满的饮水瓶在右边，空瓶在左边，降落时空瓶在右边，满的瓶子在左边。”

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伯特兰•皮卡德乘坐热气球环游世界的旅程几乎以失败告终，但却萌发了打造一架太阳能飞机的想法。

最有创新性的新设计大概要数增加了自动驾驶仪。博尔施伯格说：“我们设计了一种黑匣子，它会在有问题出现时把飞行员弄醒。我们还会在双臂上安装传感器，如果飞机向左或向右偏得太远时，它们就会震动，这是首次让自动驾驶仪系统通过触感来提醒飞行员。”

尽管该功能可让飞行员在飞行途中休息较长时间，但皮卡德希望尽量少用这个功能。他说：“‘阳光动力号’不是睡觉的地方，它是保持冷静的地方。”他接受过催眠术的训练，还曾在驾驶百年灵热气球穿越大西洋时将副驾驶员催眠至昏睡状态。对他来说，保持冷静意味着营造一种自我诱导的催眠状态。他说：“我会借助自己的技巧来在身体休息时使我的头脑完全放松和警醒。”博尔施伯格应对长时间单独飞行的计划则更简单：“我会做瑜伽。”

尽管没有人能确定“阳光动力号”的环球旅行将如何改变航天业的未来，它的创新技术却已经被应用于其他领域。博尔施伯格说：“不仅我们研发的电池马上就会面市，用来给它们隔热的泡沫材料也将被用于冰箱以节约10%至15%的能源损耗。”

传奇飞机设计师及试飞员约恩·克拉科夫(Jon Karkow)指出：“对于像‘阳光动力号’升空飞行这样创纪录的尝试，它的实际影响还不是特别明显。”克拉科夫还是理查德·布兰森(Richard Branson)及史蒂夫·福塞特(Steve Fossett)的“环球飞行者号”(Global Flyer)的首席工程师，该飞机曾在2005年凭借一箱汽油环球飞行。他说：“回顾历史你会发现这些向新技术的飞跃一开始或许并不显得很有意思，但是像‘阳光动力号’这样的电动飞机会产生涓滴效应，特别是当你想起我们不会一直都有汽油，但我们却会一直想飞行时更是如此。”

FINN-OLAF JONES