陽光動力的清潔能源宣言

楊聃

2015年1月，“陽光動力2號”落地阿布扎比。圖為飛行員皮卡爾（左）和博爾施伯格

“陽光動力2號”到達南京的時候比既定行程晚了約一個月，因為前一站重慶的氣候條件不足，不得不推遲飛行計劃。“13年都等了，更何況這幾個星期呢？”陽光動力計劃發起人之一的伯特蘭·皮卡爾（Bertrand Piccard）對媒體表示。南京站之后就是此次環球之旅最困難的一段——飛行員在3.8立方米的狹小機艙中持續工作5天5夜，橫跨太平洋抵達夏威夷。

歷史上第一次不間斷橫跨太平洋的航行歷時41小時，如今雖然“陽光動力2號”花費的時間比84年前還長，但這家飛機完全由太陽能提供動力，不耗費一滴燃油。的確，能源預言家們相信可再生資源最終會在多種方面代替化石燃料，而航空業將是最后一批被代替的行業，畢竟，單位重量下化石燃料產能較高。陽光動力計劃的另一位發起人安德烈·博爾施伯格（André Borschberg）明確表示：他們并非要對航空業進行革命。

“陽光動力2號”是一架怎樣的飛機？

去年4月問世的“陽光動力2號”翼展達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，相當于三層樓;重量僅有2.3噸，跟一輛寶馬760Li的重量相差無幾。它巨大的尺寸與其飛行性能數據并不成比例，起飛速度只有每小時35公里，平均時速60公里，最大時速不過140公里。“速度是比不上噴氣式飛機，可是會有另外的回報。”安德烈表示。“陽光動力2號”集合了材料、電子、結構、人機工程學最頂尖的技術于一體。它的機翼、機身和水平尾翼上共貼敷了1.7248萬片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。“起飛的時候電池還是空的，落地的時候電池都滿了。”這些電池可以產生最大70千瓦的功率，輸出給四臺單臺功率13.5千瓦的電動機帶動四扇直徑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97%，遠遠高于通常的27%。這四組電池總重633公斤，能量密度達到了260瓦時每公斤，約是市面電動汽車的電池能量密度的1.3倍。

白天飛機在電動機的帶動下，最高可上升到9000米的高度，陽光充足時多余的電力還會向四個發動機吊艙中的鋰聚合物電池組充電。夜間飛機下降到8600米的高度滑行，這也是電池放電的過程。由于要用盡可能少的能源飛更遠的距離，整架飛機的空氣動力學布局采取了滑翔機外形。細長的機翼里布置了140根碳纖維肋條，外表的蒙皮則采用了一種全新開發的樹脂薄膜材料，厚度僅有17微米。除了機翼肋骨，機身的大部分骨架和硬質外殼也都采用了碳纖維材料，某些碳纖維板材每平方米的重量僅有25克，是普通打印紙的三分之一。為了減重，駕駛艙并未像民航飛機那樣配備了增壓和空調系統，得益于碳纖維材料出色的保溫效果，即使高空飛行中溫度降至零下30多攝氏度，飛行員在飛機外殼和特殊防護服的保護下也能抵御寒冷。同樣是為了減重，“陽光動力2號”的機艙只能容納一位飛行員，伯特蘭和安德烈不僅是陽光動力項目的發起人，也是環球航行的飛行員，交替完成整個航行，一位在飛行時，另一位在地面休息的同時提供協助。

陽光兄弟

“我在聯邦理工學院（ETH）結識了安德烈。”伯特蘭回憶道。2003年他帶著陽光動力的想法在瑞士蘇黎世聯邦理工學院進行可行性研究，9個月的時間，40多個實驗室一起探討太陽能動力飛機的可行性。“他是一個執行力很強的人，每件事經過周密的計劃和組織之后就會立即采取行動。坦白說，我對他有崇敬之情。”安德烈畢業于洛桑聯邦綜合工業大學（Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne）機械工程專業以及美國麻省理工學院的管理科學專業，他從小就對航空飛行十分著迷，曾在瑞士空軍學院（Swiss Air Force School）接受飛行訓練，并持有各類固定翼飛機和直升機的專業飛行員駕照。

“對皮卡爾家族和伯特蘭我早有耳聞，能與這樣的人合作非常難得。很幸運當有這樣一個機會來臨時，我抓住了它。”安德烈對本刊記者說。伯特蘭不僅是一名精神病學醫生，也是第一屆跨大西洋熱氣球比賽的優勝者。1999年3月21日，他和英國人布瑞安·瓊斯（Brian Jones）乘坐的混合型氣球降落于埃及，為期19天21小時55分不間斷環球飛行畫上了句號。

皮卡爾家族在科學探險界是名門。其家族的歷史要追溯到瑞士化學家儒勒·皮卡爾（Jules Piccard），他培養了雙胞胎兒子——奧古斯特（Auguste）和讓（Jean）——對科學的興趣。之后，讓·皮卡爾到美國發展，成為有機化學家，并與妻子一起致力于開發有機合成材料的氣球。而留在歐洲的奧古斯特主修物理，也對氣球飛行產生了濃厚的興趣。1931年，奧古斯特與助手保羅·基弗（Paul Kipfer）搭乘氣球從德國奧格斯堡升空，成為世界上最早到達平流層的人。在那里，他們還對上層大氣和宇宙射線進行了一系列測量。

在號稱世界上平均智商最高的那張合影里就能找到奧古斯特的身影，他參加過5次索爾維會議（Solvay Conferences）。據說，埃爾熱就是以奧古斯特為原型創造了《丁丁歷險記》里的卡爾·庫魯斯教授這個漫畫人物。1920年，奧古斯特的兒子雅克（Jacques）出生了。在父親的熏陶下，雅克也涉足科學探險，他開始幫父親設計和改進深潛器，制造深潛器的靈感來自耐壓結構的高空氣球吊艙。1960年1月23日，雅克和美國海軍軍官唐·沃爾什（Don Walsh）一起乘坐他參與設計的“里亞斯特號”（Trieste）深潛器經過5小時的下潛，到達馬里亞納海溝溝底。直到2012年，電影導演詹姆斯·卡梅隆再次打破北太平洋深處的平靜。從小跟父親雅克上天入海，伯特蘭接受的家族教育是不重復別人做過的事，把新的想法變成現實。

“陽光動力2號”在機翼、機身和水平尾翼上貼滿了單晶硅薄膜太陽能電池

2003年11月，伯特蘭和安德烈兩個背景和風格完全不同的人組合在一起，因為無間的合作被稱為“陽光兄弟”。工作分配上，安德烈主內，伯特蘭主外，前者運用管理經驗組建了55個來自多領域、擁有不同背景的專家團隊研發飛機，后者則發揮了其影響力和演講才能為項目籌集資金。

2009年6月26日，“陽光動力”原型機——首架無需化石燃料驅動便可實現晝夜飛行的飛機HB-SIA面世。第二年，安德烈駕駛“陽光動力”原型機完成了太陽能飛行歷史上的首次夜航。2012年，“陽光動力”原型機從瑞士貝耶納出發，飛越地中海抵達摩洛哥，完成首次洲際飛行。隨后，“陽光動力”原型機從舊金山飛往紐約，中途在菲尼克斯、達拉斯、圣路易斯和華盛頓特區停留，成功穿越美國。“陽光動力2號”自2015年3月開始的環球之旅從阿聯酋首都阿布扎比起飛，途經阿曼的馬斯喀特、印度的艾哈邁達和瓦拉納西、緬甸的曼德勒、中國的重慶和南京，飛越太平洋抵達夏威夷，隨后橫跨美國大陸。在美國大陸期間飛機計劃停留3站，其中兩站確定為鳳凰城以及紐約肯尼迪機場，而計劃位于美國中西部的那站屆時則將根據實際天氣狀況確定。隨后飛機將再次起飛橫越大西洋，在南歐和北非做最后幾站的停留，最終返回出發地阿布扎比。

飛行體驗與5天5夜

在飛行之前兩位飛行員必須要做一些準備和訓練。“對于安德烈來說，始于17歲的駕齡讓他對飛機的操作了如指掌，而我的經驗就沒那么豐富了，除了熱氣球只有駕駛滑翔機的相關經驗，安德烈教我很多飛行技巧，而我則用我的醫學背景建議他如何在飛行中保持舒適。”伯特蘭說，“在模擬器中進行的訓練讓我們在身體和心理上做好準備。訓練之余，我們也經常討論在極端情況下應該采取什么樣的措施。冒險并不是蠻勇，如果飛機傾斜角度到達15度就要棄機。這也是我接受的訓練之一，閉著眼睛都要知道如何使用降落傘，以及隨后的求生技能。”對于操作感受，安德烈更加有發言權。“畢竟我是親眼看著這架夢想中的家伙從計算機屏幕一步一步成型的。‘陽光動力2號跟我們以往駕駛的飛機大不一樣。一開始的時候你可能會覺得它有點遲疑，所有的操作反應都很慢，剛開始確實很棘手。幸好我們先造出了飛行模擬器，才不會摔飛機。”

飛躍太平洋的5天5夜是整個行程中最困難的一段，這不僅是對太陽能飛機的挑戰，更是對飛行員的挑戰。因為飛機翼載太低，換句話說太大，太輕，對氣流特別敏感，飛行員需要在航行中時刻保持警醒以防飛機失控。對于民航飛行員來說，借助自動駕駛儀可以放心地在飛行過程中休息，而“陽光動力2號”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，飛行員還是只能每隔幾小時睡20分鐘，過程中如果機翼傾斜角度超過5度，飛行員就會被衣袖上的振動器震醒。他們也通過瑜伽、冥想和自我催眠來保持盡量清醒。“自我催眠對我來說是非常奏效的方法。通常情況下我們的意識是外在的，而自我催眠可以將意識帶回內在。這樣就能觀察自身，我是否緊張，是否有壓力，是否有壞的情緒，然后我們可以通過呼吸把這些負面因素排出體外，達到完全的放松。這樣就能更專注或許更有勇氣和體力去完成我必須要做的事情。”伯特蘭表示。安德烈認為這種作息方式結合相應的方法非常好用：“雖然我們這樣訓練了很長時間，但并沒有結合真正的飛行持續5天，跨越太平洋仍然算是首次嘗試。”

通常情況下，飛行員每天的供給是2.4公斤食物、2.5升水和1升運動飲料。航行中，飛行員的吃喝拉撒睡都在飛行座椅上完成。座椅不但集成了廁所，下面也有降落傘和救生筏以供不時之需。幸好，“陽光動力2號”的設計可以保證飛行員在休息時完全展開雙腿。事實上，飛行的過程沒有想象的那么苦悶和緊張，伯特蘭和安德烈不僅能自拍，還時刻與地面保持聯系。和地面的交流包括很多類型，比如和法國方面的交流以及和摩洛哥地面控制中心的交流，后者尤為重要，討論最頻繁的是飛行的策略。“摩洛哥那邊會進行模擬測試來預測后面的飛行情況，他們對衛星發送的飛機數據和天氣情況做出反饋，這樣即便是面對5天5夜的飛行也不會讓我們感到驚慌失措。另外20位工程師和技師從各個方面給予我們協助。”安德烈還分享了一次有趣的經歷：“雖然我們做了很多模擬飛行，但有一項貌似忽略了，以至于我第一次飛行要吃早餐的時候，打了個電話給地面控制中心：‘嘿，你們知道勺子放哪了嗎？聽完這個問題，所有人都大笑不止。”

對于兩位飛行員來說，機艙里的娛樂活動就是欣賞眼前的世界，千差萬別的地貌和自然的魅力。“這是一個難得的機會讓我活在當下，觀察自身，觀察周圍的環境。我不必擔心何時要到達哪里，我只需要知道如何用這樣一個可再生資源來完成這一項目。”安德烈補充道。

新技術與新能源

太陽能飛機的概念來自伯特蘭1999年的熱氣球環球飛行。“那次飛行我一直忐忑不定，害怕在完成探險之前燃料就用完了。落地時，我們只剩了40公斤液化丙烷，行程開始時我們可是準備了3.7噸啊！這讓我深刻體會到了依靠化石燃料意味著什么。我也下定決心，下次環球航行不再用燃料。”陽光動力正是這樣一個解決方案。伯特蘭的出身對其項目的推行也有不利的影響，那些不看好的人覺得，作為一個探險世家的繼承人，這樣一架飛機能夠滿足他的存在感，卻是一種荒唐的行為。很多評論家也做了負面的評價。在接受外媒采訪時，伯特蘭表示：“讓他們回到懷特兄弟的時代，看到用木頭和布料做成的飛機，他們同樣覺得沒有未來。但事實是怎樣的？飛機不但把人們從大洋的一邊送到另一邊，66年后，人類甚至登上了月球。”

陽光動力的合作伙伴中沒有傳統飛機制造廠。“瑞士有句老話，燈泡不是賣蠟燭的人發明的。我們需要跳出固定思維來想問題。”伯特蘭說，“事實上，不僅儀表顯示器和提醒飛行員預警的振動器，就連超輕著陸燈系統也是腕表品牌歐米茄提供的。整套系統包括強化LED燈和著陸LED燈、聚焦透鏡、電纜、電源變壓器和連接器，共重1公斤，并且僅耗費150千瓦的電量。”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，防止疲勞駕駛。用于“陽光動力2號”的技術可以轉換成高空通訊平臺，它可以在距離地面15～20公里的地方停留數月甚至數年。這對于發展中國家來說，可以用比衛星低的成本實現通訊網絡的覆蓋。

就像登月一樣，陽光動力計劃同樣刺激了那些可以應用于地面的技術革新。“無論是冰箱里新的保溫材質還是路面交通的電池，如果我們能在飛機上應用成功，我們就能把它們應用在任何領域。畢竟，應用于飛行器是最難實現的。”伯特蘭說。

（本文參考了果殼網對陽光動力的報道以及CNBC對伯特蘭·皮卡爾的訪談）