追隨陽光一路飛

曹偉

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，同時(shí)也考驗(yàn)著技術(shù)水平。本刊曾在2012年9月刊《向深海挑戰(zhàn)》一文中介紹過兩位科學(xué)牛人奧古斯特·皮卡爾和雅克·皮卡爾。奧古斯特·皮卡爾曾經(jīng)乘坐自己設(shè)計(jì)的熱氣球，飛到了22千米的高空，成為世界上首個(gè)到達(dá)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(dá)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(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆在2012年3月26日駕駛“深海挑戰(zhàn)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(xiǎn)基因也會代代傳。現(xiàn)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(jìn)行一項(xiàng)世界級壯舉。他們正駕駛“陽光動(dòng)力2號”飛機(jī)，進(jìn)行純太陽能驅(qū)動(dòng)環(huán)球飛行。這將是太陽能飛機(jī)歷史上首次載人作晝夜、長距離飛行。整個(gè)行程耗時(shí)4～5個(gè)月，飛機(jī)預(yù)計(jì)于今年夏天飛回始發(fā)地阿聯(lián)酋首都阿布扎比。“陽光動(dòng)力2號”計(jì)劃經(jīng)阿拉伯海，進(jìn)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(diǎn)。在途經(jīng)中國時(shí)，“陽光動(dòng)力2號”分別在重慶和南京著陸停留。

什么是太陽能飛機(jī)？

太陽能飛機(jī)，顧名思義，利用太陽能作為動(dòng)力的飛機(jī)，在機(jī)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(zhuǎn)化為電能來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。太陽能飛機(jī)和普通的客機(jī)畢竟不同，它們的飛行速度比較慢，且容易受天氣、風(fēng)速的影響，因此無法在惡劣的天氣里飛行，需要?dú)庀髨F(tuán)隊(duì)做好氣象預(yù)測工作。白天，飛機(jī)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(dāng)于世界最高山脈喜馬拉雅山的高度；而到了晚上，飛機(jī)則處于半滑翔狀態(tài)，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(dǎo)致飛機(jī)里的溫差較大。因?yàn)椤瓣柟鈩?dòng)力2號”是一架單座飛機(jī)，只能容納一名飛行員，因此，只有在降落到地面并做停留時(shí)駕駛員才能稍做休息或進(jìn)行換班。“陽光動(dòng)力2號”的機(jī)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(dāng)于經(jīng)歷了夏天和冬天，這對飛行員的身體來說，是一項(xiàng)非常大的挑戰(zhàn)。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(yùn)動(dòng)飲料。5天5夜不上廁所是不可能的。所以“陽光動(dòng)力2號”配備了“廁所”。“廁所”與飛行員的座椅一體相連，當(dāng)飛行員“內(nèi)急”時(shí)，便能夠“就地解決”，跟在家里上廁所基本上沒太大差別。

據(jù)南京航空航天大學(xué)鄭祥明副教授介紹，早在20世紀(jì)中期，世界上就已經(jīng)開始了太陽能飛行器的研究。由于太陽能的采集、轉(zhuǎn)換和利用率低，一般太陽能飛機(jī)需要較大的機(jī)翼面積。太陽能飛機(jī)有望在航時(shí)、航程等方面取得突破，并且主要利用太陽能這種清潔、環(huán)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(xué)航空宇航學(xué)院也正在開展太陽能飛機(jī)的相關(guān)研究，甚至有一些本科生將太陽能飛機(jī)作為科創(chuàng)題目。

這是怎樣一架飛機(jī)？

“陽光動(dòng)力2號”是一架集合了當(dāng)今材料、電子、結(jié)構(gòu)、人機(jī)工程學(xué)最頂尖技術(shù)于一體的大號玩具。它的機(jī)翼、機(jī)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(qiáng)度和重量后的最優(yōu)選擇。這些電池可以產(chǎn)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)4個(gè)直徑4米的雙葉螺旋槳給飛機(jī)提供動(dòng)力。整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的電力——?jiǎng)恿D(zhuǎn)換效率高達(dá)94%。

“陽光動(dòng)力2號”翼展達(dá)到72米，比波音747-8型的翼展還要寬3.5米；機(jī)長22.4米，接近一個(gè)籃球場的長度；機(jī)高6.37米，相當(dāng)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(dòng)力2號”的飛行性能數(shù)據(jù)可能會讓你有種回到萊特兄弟時(shí)代的感覺。它的起飛速度只有35千米/時(shí)，比博爾特奔跑的速度還要慢。巡航速度90千米/時(shí)，最大速度不過140千米/時(shí)，絕對是遵紀(jì)守法好司機(jī)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(dòng)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(fā)的自動(dòng)駕駛儀和地面控制中心的實(shí)時(shí)監(jiān)控，飛行員還是會在飛機(jī)姿態(tài)變化超過5°的時(shí)候被裝在手腕上的振動(dòng)器喚醒。由于“陽光動(dòng)力2號”的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)只能連續(xù)工作20分鐘，所以駕駛員必須改變睡眠習(xí)慣。從每天連續(xù)睡眠8小時(shí)，改為每天睡10次一次睡20分鐘。為了監(jiān)控飛行員的身體狀況，火柴盒大小的遠(yuǎn)程心電監(jiān)測設(shè)備可以讓地面的醫(yī)學(xué)專家隨時(shí)獲得基本的參數(shù)。負(fù)責(zé)開發(fā)這套系統(tǒng)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(jī)有啥優(yōu)勢？

太陽能飛機(jī)是以太陽輻射作為推進(jìn)能源的飛機(jī)。太陽能飛機(jī)的動(dòng)力裝置由太陽能電池組、直流電動(dòng)機(jī)、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(jī)上應(yīng)有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設(shè)太陽能電池，因此太陽能飛機(jī)的機(jī)翼面積較大。相比傳統(tǒng)燃料飛機(jī)，太陽能飛機(jī)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(jī)的碳纖維材質(zhì)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(fēng)情況下時(shí)速可達(dá)70千米，順風(fēng)時(shí)速可達(dá)100多千米。白天，太陽能電池將多余的電能充入到機(jī)載鋰電池中，為夜間飛行儲備電能，因此，“陽光動(dòng)力2號”的動(dòng)力才能源源不斷。“陽光動(dòng)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(shí)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(qū)動(dòng)器是飛機(jī)的關(guān)鍵部件，對太陽能飛機(jī)的飛行起著舉足輕重的作用，它的構(gòu)成、工作原理和控制方式具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在世界上通用的飛機(jī)，大多數(shù)使用吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，一遇高空稀薄空氣，發(fā)動(dòng)機(jī)功率就會下降。因此，現(xiàn)有飛機(jī)的飛行高度和續(xù)航能力很難進(jìn)一步提高，而以太陽能為動(dòng)力的飛機(jī)可以彌補(bǔ)這些不足，飛得更高，飛得更遠(yuǎn)。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得太陽能飛機(jī)在無線通訊、資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測甚至軍事預(yù)警等方面有著廣泛用途。

雖然太陽能飛機(jī)可以載人進(jìn)行環(huán)球飛行，但按照陽光動(dòng)力公司設(shè)想，真正實(shí)現(xiàn)太陽能飛機(jī)的商業(yè)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(jī)有望正式投入運(yùn)營。

“陽光動(dòng)力號”只是一個(gè)起點(diǎn)，地球上的油總有一天是會燒光的，人類文明也是要繼續(xù)發(fā)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(jìn)步，未來，使用太陽能的民用、商用航空飛機(jī)也必將誕生。