全球最大太陽能飛機首飛成功

本刊記者 金星宇

1903年12月17日，當萊特兄弟懷著極大熱情試飛世界第一架飛機時，也許沒有想到，這個劃時代意義的發明不僅實現了人類征服天空的夢想，也從此改變了人類的生活軌跡，之后，人類的足跡從廣袤的陸地邁向了更加遼闊的天空。

在110多年后的2014年6月2日，又一架飛機的成功試飛吸引了人們的目光，雖不如當年萊特兄弟一般全世界熱烈關注，但對于未來飛機的發展，這次試飛絕對意義非凡，它肩負的不僅是傳統載人飛機的使命，更承載著人們對未來新能源動力的期許。它就是目前全球最大的太陽能飛機“陽光動力2號”。

因循著人類古老的夢想

這次在瑞士西部城市帕耶訥成功首飛成功的“陽光動力2號”，由打造過“陽光動力1號”的“太陽驅動”項目發起人、瑞士探險家貝特朗·皮卡爾以及瑞士電梯制造商迅達和比利時化工集團蘇威的工程師們共同建設完成。與它的前輩“陽光動力1號”相比，“陽光動力2號”翼展更長、體積更大、重量更重，唯一沒有改變的是：在飛行中無需一滴燃料，僅依靠陽光就能實現晝夜飛行的性能。

機身和機翼均采用極輕的碳纖維材料，機翼上安裝有17248塊超薄、高效太陽能電池板。翼展達72米，堪比波音747—800型客機，重2.3噸，最大飛行高度可達8500米，最高時速為140公里。

“陽光動力2號”的試飛成功代表著太陽能交通工具的應用進入了一個全新發展階段，也許要不了多久，我們就能坐在無需任何燃料的飛機上，在天空中任意飛翔了。

“陽光動力”的研制與試飛

當然，任何新生事物從誕生到被廣泛應用，都必然經過一段漫長曲折的過程。讓我們梳理一下“陽光動力”1號和2號的研制歷程：

2003年，瑞士探險家、科學家貝特朗·皮卡爾提出了太陽能飛機環球飛行構想，計劃駕駛太陽能飛機，經過5次起降實現環球晝夜飛行。這一計劃被命名為“陽光動力”（下文通用為“陽光動力1號”，區別于2號），最終的目標是用太陽能飛機實現永久飛行。該飛行項目擁有10年1.12億美元的預算。原型機于2007年4月開始建造，2008年夏季制造完畢。

2009年6月26日，“陽光動力1號”原型機HB-SIA在瑞士蘇黎世杜本多夫飛機場亮相。

2011年6月20日，“陽光動力1號”亮相巴黎航展。

2011年6月開始研制用于環球飛行的第二架太陽能飛機HB-SIB，體型更大，并裝有更為先進的航空儀器和更加耐壓的艙室。機身長約22米，高約6米，呈三角型，單座機艙和4臺發動機緊湊地結合在一起，可供兩人乘坐。飛機上未安裝自動導航設備，飛行完全靠飛行員手動操作。機身主要由碳纖維材料制成，整體重量僅為1600公斤。與狹小的駕駛艙形成鮮明反差的是飛機的雙翼，翼展寬度約為64米，與空中客車A340相當。

拜耳公司為“陽光動力1號”提供的高性能產品和解決方案包括用于翼尖、馬達吊船和機艙的聚氨酯硬質泡沫以及用于機艙窗體的聚碳酸酯薄膜。此外，采用拜耳公司的原材料制成的黏合劑和涂料也將在機身多處獲得應用。

在機翼和尾翼上分布著1.2萬塊太陽能電池板，覆蓋面積足有240平方米。它們能將22%的光能轉化為電能。飛機底部也裝有太陽能光電板，用于接收發射光。機身還裝有400公斤重的超薄鋰電池，用于儲存太陽能轉化而成的電能，為飛機的4個10馬力引擎提供動力，驅動直徑數米的螺旋槳，并保證飛機在夜間飛行時的動力。

“陽光動力1號”的平均功率僅與萊特兄弟1903年的飛機功率相當，這要求鋰電池每公斤的能量密度必須接近200瓦/小時，同時還要承受變形、振動、-60℃至80℃的溫度變化和強紫外線照射。

白天飛行中，它會不斷爬升，讓電池盡可能多地儲存能量。夜晚則緩慢滑翔下降，并且利用電池儲能繼續飛行。

一步一個腳印的飛行測試

2009年12月，“陽光動力”1號飛機開始進行“跳蚤試驗”——即在瑞士一條跑道上以每小時9.26公里的速度滑行2000多米。

2010年4月7日，約1.5個小時的飛行測試成功進行。試飛員馬庫斯·謝爾德駕駛“陽光動力1號”以28英里的最高時速攀升至3280英尺的高空，然后在觀眾歡呼中緩緩落地，整個過程沒有耗費任何燃料。

在2010年7月7日的25小時晝夜試飛中，“陽光動力1號”在陽光充足時爬升至8500米高空，臨近夜晚時，飛機下降到1500米的高空飛行，直到第二天太陽升起。

2011年5月13日早8點40分，“陽光動力1號”從瑞士西部小鎮帕耶納的空軍基地起飛，飛越法國和盧森堡兩國上空，在3600米的海拔高度連續飛行了13個小時后，于當晚9點在布魯塞爾國際機場平穩著陸。

2012年6月，從西班牙首都馬德里飛往摩洛哥首都拉巴特，距離達2500公里（1550英里）。

2013年5月3日，從太平洋海岸的舊金山南部的墨菲特聯邦機場起飛，途徑鳳凰城、達拉斯和華盛頓，最后抵達大西洋沿岸的紐約市。

2014年6月2日“陽光動力2號”的首飛成功標志著“陽光動力”系列太陽能飛機已經邁向了全新階段。按計劃將從2015年3月開啟環球飛行旅程，從海灣地區起飛，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，最終回到起點。

資料鏈接

幾款經典的太陽能飛機

“太陽挑戰者”號

美國在上世紀80年代初研制出“太陽挑戰者”號。飛機翼展14.3米，翼載荷為60帕(6公斤力/米)，飛機空重90公斤，機翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太陽電池，在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。

1981年7月7日，“太陽挑戰者”號從巴黎西北部25英里遠的科邁伊森·維克辛起飛，以平均時速30英里、1.1萬英尺的飛行高度，飛越了英吉利海峽，最后在英國東南海岸的曼斯頓皇家空軍基地著陸，成為世界第一架以太陽能為動力飛越英吉利海峽的飛機。

“太陽神”號無人機

美國太空總署資助研制的“太陽神”號無人機僅重590公斤，機身長2.4米，活動機翼全面伸展時長達75米，連波音747飛機也望塵莫及。

“太陽神”號機身上裝有14個螺旋槳，動力來源于機翼上的太陽能電池板。在早晨陽光不是很強烈時，可為飛機提供10千瓦的電能，飛機能以每秒33米的速度爬高。中午提供的電能達40千瓦，飛機動力性能達到最佳，巡航飛行時速可達30至50公里。晚上，飛機則依靠儲存的電能進行巡航飛行。

“天空使者”號

“天空使者號”實際上是蘇黎世瑞士聯邦理工學院和歐洲宇航局合作設計的一款太陽能驅動火星研究飛行器。能夠在火星上空飛行，必須滿足以下火星飛行條件：低密度大氣層、微弱的太陽能、多變的風向和冰點以下溫度。為此，科學家們論證得出飛機的最佳翼展約為3米。而電池重量約占了整個飛機重量2.6公斤的一半。

由于擁有小而輕質的結構，“天空使者號”可以裝載一些高技術設備。數字傳感器可以測量高度和空速，這使飛機能在海岸或者峽谷之類的目標上空飛行。攜帶的電荷耦合照相機(CCD)可拍攝地面圖像。當飛機自動駕駛出現故障時，科學家還可通過一個地面控制站監控和給飛行中的飛機發送指令。

中國第一架太陽能飛機“翱翔者”號

中國首架太陽能飛機“翱翔者”號，是北京航空航天大學飛機設計與應用力學系（現為航空科學與工程學院）李曉陽博士和趙庸教授在1992年設計制造的，該機是中國歷史上有記載的首架具原創自主知識產權的太陽能飛行器，機體和機翼采用碳纖和凱夫拉、輕木等材料手工制造，機翼設置翼尖小翼，以擴大翼展和降低誘導阻力，提高飛行性能。上翼面和水平尾翼能夠利用的面積，都用交互布陣法鋪設和連接單晶硅太陽能電池薄片。這些薄片極易碎裂，因此上翼表面與太陽能電池之間設有GPPS薄膜的緩沖層。

該機采用一組特制的鎳氫電池組儲存太陽能電池獲得的電能，并作為中間交換器來為配有減速裝置的低速螺旋槳推進器提供電力。用望遠鏡配合人工目視操作來進行飛行控制操作，飛控設備為改良的Ftb.1024。為減輕重量，該機用人手投擲起飛，回收用滑橇式降落架。受當時條件所限，“翱翔者”號只有極小的任務載荷能力。