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乘“太阳”环球飞行

时间:2015-05-14 12:39:09  来源:财新网  作者:

于达维 财新网

财小新

 

本文选自《财新周刊》2015年第18期报道。

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记者:于达维

“我们在飞机上看到中国有那么多高山、峡谷、草原,你们真是生活在一个美丽的国家。”经过17个小时的飞行,4月21日晚23时,阳光动力2号终于完成了从重庆到南京1400公里的航程。

飞行员贝特朗•皮卡尔(Bertrand Piccard)说,在傍晚时分,他看到数千个湖泊,湖泊上闪烁着夕阳的霞光,这是一段令人难忘的飞行。

南京是阳光动力2号全球飞行的第六站,也是他们在太平洋西岸的最后一站。在这里,他们要为跨越太平洋做好充分的准备,刚刚创下的依靠太阳能连续飞行的最长记录,很快就会被他们自己打破。

阳光动力2号是迄今全球最大的太阳能飞机,也是惟一进行环球飞行试验的太阳能飞机。更传奇的是,该飞机并非由传统飞机制造企业研发,而是由众多看似与飞机制造无关的科学家和知名企业完成,索尔维、欧米茄、拜尔材料、ABB集团等均加入其中。

不 少人质疑阳光动力2号并无实用价值,如仅能乘载一至两名飞行员,速度慢,受天气限制过大等等。阳光动力2号团队并不否认这些,但团队认为,太阳能飞机的环 球飞行不止有象征意义,未来还可以做不少事情,比如作为无人机,可以在2万米的高空飞行六个月的时间,为地面提供WiFi信号。

或许,驾驶这架最高速度比不过一般汽车、很多时候飞得没有鸟快的太阳能飞机,在外界看来更像是一次悠闲的旅行。但其飞行实现了完全依赖太阳能、“不用一滴油”,整个团队把人类现有的飞行技术发挥到极致。飞行员自身,也经历着常人难以想象的体力和意志力的挑战。

在阳光动力2号飞临中国之时,中国科协一位负责人评价称:这不是一场华丽的冒险,而是一次真正的科学探索。

环球飞行

今 年3月9日,阳光动力2号太阳能飞机从阿联酋首都阿布扎比起飞,开始预计时间长达半年的环球飞行。全程飞行时间约为25天,持续约五个月。在一路向东的环 球飞行中,阳光动力2号已分别在阿曼马斯喀特、印度艾哈迈达巴德和瓦拉纳西、缅甸曼德勒短暂停留;继重庆之后,南京成为它在中国的第二站。

作为世界上第一架日夜连续飞行、“不用一滴油”的飞机,阳光动力2号的体量超过一架波音747飞机,但是它的动力只相当于一辆摩托车的动力、重量只相当于一辆汽车。机翼、机身和水平尾翼上的17248块单晶硅太阳能电池,为整个飞机的飞行提供动力。

“我们选择南京作为目的地,一方面因为南京是一个技术中心,一方面因为江苏是一个光伏大省。”皮卡尔说。而且,南京地理位置理想,距离海岸线不是特别近。阳光动力2号虽节能,但“软肋”是怕风,距离海岸线太近,飞机起飞可能会受到大风的影响。

风是这架飞机最大的敌人。阳光动力2号飞机原定3月7日从曼德勒起飞,但天公一直不作美。直到3月29日的时候,他们才确定次日即30日晚,将是飞机降落重庆最好的天气和时间。

“马上就要进入中国领空了,”3月30日12点38分,皮卡尔在微博上说,能够在多年后再度造访这个国家,我很期待。16年前他从空中造访中国的时候,乘坐的是热气球。

3月31日凌晨1时35分,阳光动力2号抵达重庆江北机场。他们原计划立即于当日清晨五六点出发去南京,但南京开始下雨,无法启程。

阳光动力2号在重庆一停就是20多天。在20多天内,飞机员多次计划启程飞往南京,又多次取消。

这也让他们在重庆有更多的机会和当地进行交流。在一场活动中,他们曾经面对1500名中学生,讲述他们的冒险故事,分享他们对于未来的憧憬,并对学生们的问题提供建议和指导。

皮卡尔对财新记者说,很多美国的宇航员都是我父亲的朋友,我在与他们的交流中,我不断获得灵感,我也想拥有他们一样的生涯,经历未知的世界,发现新的事物,做前人所不能做的事情,现在我也想用自己的经历去启发别人,尝试不可能的事情,阳光动力1号和2号就是一个例证。

4月21日早上6时6分,阳光动力2号迎着晨曦再次踏上环球飞行之旅,依旧是飞来重庆时的飞行员皮卡尔负责此段飞行任务,虽然起飞很顺利,但仍面临低飞行高度、侧风等挑战。

皮卡尔告诉财新记者,不仅需要重庆的天气好,也需要南京的天气好,而且要整个航线上的天气好。“遇到侧风,就会飘离航线,如果风太大,飞机就是向后飞。”

比如4月16日就是因为目的地南京的侧风而取消了飞行。该团队在电子邮件中说:“影响中国大部分地区的强侧风使得在南京着陆的可能性太小,天气状况非常难以预测。”

在飞行约17小时22分钟后,于4月21日23时28分抵达南京禄口国际机场,顺利完成了其全球飞行的第六段航程。

实 际上,皮卡尔进入中国的路线,就在著名的驼峰航线附近。驼峰航线西起印度阿萨姆邦,向东横跨喜马拉雅山、高黎贡山、横断山,进入中国的云南高原和四川省。 “二战”期间,美国空军在持续三年的援华空运中,沿着该航线为中国空运各类战争物资65万吨。今天,阳光动力2号沿着相似的路线,飞越中国。

“我们的路线是从南边绕过喜马拉雅山,从印度飞到孟加拉国、然后从缅甸进入中国。”皮卡尔说,当时美国的DC-3运输机,为中国运来了燃油,而我们带来了清洁能源。

“不只是为中国,也是为了告诉全世界。”皮卡尔说,清洁能源可以改变世界。当被问到是否注意到中国城市的雾霾时,他说,我们来到中国不是为了指出问题,而是提供一种解决方案。

在阳光动力2号从重庆启程飞往南京前,另一位飞行员安德烈•波许博格 (André Borschberg)由于偏头痛和轻微的皮肤问题回到了瑞士。经过大约两周的休息,他来到南京,为执行下一站飞往夏威夷的航程做最后的准备。

“任何一次伟大的实验行动都需要付出努力和等待,人们会更关心它的结果而不是过程。”波许博格说。

奇妙的诞生

1958年出生的皮卡尔是阳光动力项目的发起人,也是一位精神病医生和演说家。他的骨子里,弥漫着来自祖父和父亲的冒险家基因。波许博格曾在瑞士空军服役多年,具有驾驶战斗机的经历,同时他还是工程师、投资人和企业家。项目开始时,波许博格已经50岁。

“16年前,我完成了热气球的环球飞行。”皮卡尔对财新记者说,当他降落到地面的时候,所携带的燃料只剩下一点点。他当时就想,能否有一种方法,摆脱对于燃料的限制。“我要能够一直飞。”

皮卡尔想到了太阳能飞机。他找到瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL),对设想进行可行性研究。后者则找到了波许博格,他当时正在为EPFL研发的一种新式内存(DRAM)进行商业化。波许博格对财新记者说,那时我和皮卡尔还不认识,但是我对于这种革命性的创新非常感兴趣。

“我做事总是靠直觉和想象,但是我的这位同伴是工作能力极为出色且极具前瞻性的企业家。”皮卡尔说。但是当他们把这个想法告诉航空制造企业时,后者确认为这不可能。

于 是他们两个决定自己干,由皮卡尔寻找合作伙伴,波许博格建立工程师队伍。这个项目真正的曙光,是2003年12月,皮卡尔在比利时化学企业索尔维集团 (Solvay)的一个内部活动上作了一个演讲,这让这家公司意识到,皮卡尔的想法,与他们战略相当吻合。值得一提的是,索尔维家族和皮卡尔家族还是世 交。

索尔维集团的专长在于电池和高性能材料。在阳光动力1号上,索尔维把电池的能量密度从自己早前通用产品的180瓦时/千克提高到240瓦时/千克。而在阳光动力2号上,能量密度达到260瓦时/千克。

索尔维亚太区总经理姜奇(Jean-Guy Le-Helloco)对财新记者说,对太阳能飞机来说,重量是最关键的,包括机翼材料、电池材料在内,索尔维为阳光动力项目研发了15种,共6000个部件。

太 阳能飞机上最主要的能源装置,是飞机的机翼、机身和尾翼共覆盖的270平方米左右的太阳能电池板,厚度仅为135微米,相当于头发丝的厚度。这些电池板是 美国SunPower公司生产的,每天最多吸收340千瓦时的太阳能,能为飞机提供65千瓦的峰值功率。而且这些电池不是被安装到机翼上,而是直接用电池 本身构成机翼的结构。

2006年,瑞士制表业巨头欧米茄加入阳光动力项目,他们为太阳能飞机提供了能量调度器和驾驶舱仪表,飞机的四台引擎中的一台遇到故障,能量调度器能将能源供给擎切换到运转良好的引擎上。他们提供的新型直流电驾驶舱使得飞机仪表板内部的电子设备的重量减少了50%。

2010年,拜耳成为阳光动力项目的合作伙伴。它把自己硬性泡沫的PU材料用作驾驶舱的隔热材料,透明的PC材料用于制造驾驶舱的窗户。他们提供的碳纤维材料和保温材料,不仅大大减轻飞机重量,还确保储能电池温度保持在零下20度以上。

拜尔材料科技亚太区研发部副总裁韩思乐(Christian Haessler)告诉财新记者,覆盖机舱的隔热材料有42平方米,而重量只有35公斤,这些材料在太阳能飞机上是展示了一种可能性,目前这些材料已广泛应用于建筑、汽车、飞机和家用冰箱制造。

在这些合作伙伴之外,做电梯的迅达集团,做酒的酩悦轩尼诗,这些看似与飞机无关的企业,也都为阳光动力项目贡献了力量。2013年,阳光动力1号实现不间断飞行26小时横越美国,首次让“没有燃料日夜连续飞行”成为可能。

2014年4月,在阳光动力1号升级为阳光动力2号的过程中,电力设备巨头ABB集团加入了这个项目,该集团副总裁迈克尔•派格(Michael Pietig)告诉财新记者,当时这架飞机在结构上已经成熟,但是需要在电力电子设备上进行升级。

作 为阳光动力项目电气和推进团队的成员,ABB的工程师尼古拉斯•洛瑞坦(Nicolas Loretan)主要负责最大功率点跟踪设备,该设备可确保飞机在各种大气条件下都能从机体上安装的17248片太阳能电池板上获取最多的能源。如果任何 一台设备出现故障,白天电池就无法充满电供飞机夜间飞行使用。

为了让飞行员的机上生活尽可能节能高效,瑞士雀巢公司帮助他们研制了一些特殊的食物,能够经历温度骤变而依旧保鲜,并且能够在不同温度下食用。

阳光动力2号的地面控制中心由摩纳哥亲王阿尔贝二世资助建设,中心汇集了来自欧洲多国的气象学家、数学家、工程师和高海拔医疗专家,能够24小时不间断地追踪飞机和飞行员状态,分析各项数据,并为驾驶员提供各类信息支持和指导,协助飞机飞行。

2014年6月2日,阳光动力2号在瑞士成功首飞。“很多为我们提供技术支持的都不是传统的飞机制造商或专业的工程技术企业,而是一些看似与航空技术无关,但却极具创新精神、敢于打破常规的企业。”波许博格甚至引用一句谚语:“卖蜡烛的人是发明不出灯泡的。”

这些合作伙伴不仅提供了技术,更重要的是提供了资金。整个阳光动力项目13年的花费,高达1.5亿瑞士法郎,约合10亿元人民币。不过这也仅相当于一只F1车队一年的投入。

突破极限的脆弱

与一般的飞机不同,这架极度轻量化的太阳能飞机动力有限,同时翼展极宽,机翼载荷又很小,这使得飞机非常容易受到气流影响,难以控制。同时,为了兼顾太阳能电池的充电,飞机飞行的整个过程都需要严格控制。

所 以阳光动力2号每次出发都是早上5、6点钟,带着已经充满的电能起飞,然后经过12小时的时间爬升到9000米高空,因为每天足以维持飞行的光照时间只有 10小时,这种方式可以在最大程度上吸收太阳能,这些能源不仅能保持四个发动机以最大功率运转,并且还可以保证电池充电。

在到达9000米高度后,发动机逐渐降低功率,飞机将用四个小时的时间滑翔到1500米高度,期间几乎不消耗电能。晚上10点左右,在1500米高度上,飞机完全依赖电池能源,一直飞行到黎明。皮卡尔告诉财新记者,一般来说电池的能源足够使用10个小时。

阳光动力2号机体上表面由17248个厚度仅为135微米的单晶硅太阳能片覆盖,下表面由一种极轻的织物材料包裹,翼梁则由蜂窝状碳纤维叠层构成。太阳能电池板上覆有一层厚度仅为17微米的含氟共聚物树脂薄膜,用于保护电池板抵御紫外线和水的侵蚀。

阳光动力2号的机体使用碳纤维材料,承载能力高重量轻,其中碳纤维板材每平方米的重量仅有25克,比普通纸张还要轻3倍。

飞 机翼展超过波音747,但只有2.3吨重,它的轻盈也给它的机动性带来障碍。它在转弯时不能像普通民航飞机那样可以达到30度的倾角,而是只能用2度至3 度的倾角进行转弯,因此极为缓慢。一旦超过10度,就会进入不受控制的自旋状态,因此,一旦超过5度,警报系统就会立刻给飞行员发出警报。更不要说遇到乱 流等复杂天气情况,需要飞行员保持时刻警惕。

要 确定阳光动力2号将在空中采用的飞行路径,必须考虑许多因素,包括天气、空中交通、陆地高度、以及飞机性能。选择路线之后,还必须与每个国家和地区就飞越 其领空进行商讨,如果风太大,飞机将无法着陆,如果雨太大,飞机将难以停留在空中。有时该团队必须请求特殊许可来封锁某些空中航路,以避免飞机在接近航线 时受到客机产生的气流干扰。

ABB工程师塔玛拉•图斯雅(Tamara Tursijan)说,有些事情是我们可以控制的,有些是我们无法控制的,比如天气,所以我们需要go with the flow(随波逐流),随机应变。

她主要的任务是负责移动机库的电力控制系统。“对我来说最有意思和挑战强度最大的一次,是超过24小时无休无眠把它搭建起来,所有电力供应必须确保24小时不间断。”

波许博格说,我们每天都要攀爬9000米的高度,而晚上我们会降低飞行高度到1500米,因为机舱内不是密闭的,没法保持温度恒定,最寒冷的时候可达零下20度,热的时候可达35度,所以每天都在经历夏天和冬天,这对我们身体的挑战极大。

为了帮助飞行员抵御高空严寒,他们研发了可加温的飞行服,研发了新的隔热材料改善机舱环境。为保证机舱内的氧气水平维持在人体可以接受的水平,他们在飞机飞到高空时给机舱增压,而增压设备就是皮卡尔的祖父在1931年发明的。

跨洋考验

皮卡尔来自于一个极富开拓精神的家族:他的祖父是飞入平流层第一人,帮爱因斯坦收集宇宙射线数据;他的父亲潜入马里亚纳海沟底,是为了阻止人们向海里扔垃圾。

“很多美国宇航员是我父亲的朋友,当我还是个孩子的时候,就受他们的探险精神鼓舞”,皮卡尔说,“我也想有这样的人生,做前人所不能做的事情。”

从缅甸飞往重庆期间,皮卡尔发布微博:16年前的这个星期,我和布赖恩•琼斯(Brian Jones)驾驶着百年灵三号成功降落,完成了首次不间断热气球环球飞行。在重庆,皮卡尔还把探险经历与孩子们分享,鼓励他们去完成不可能的事,关注人类未来命运。

南京是阳光动力2号环球飞行的第六站,但至南京时飞机仅完成计划航程的四分之一。在经停南京后,将迎来此次环球航程的最艰巨挑战:连续五天五夜飞跨太平洋,抵达美国夏威夷州。之后他们还将横穿美国到达凤凰城,然后飞越大西洋,经停非洲,最终返回起点阿布扎比。

虽然说阳光动力2号是一架可以日夜飞行的太阳能飞机,但是在到达南京的前六段航程中,每段的飞行时间都不过是十几个小时。从南京飞往美国夏威夷的航段直线距离达8500公里,可以说这架飞机即将经历的,将是第一次,也是最艰巨的考验。

尤 其是对于飞行员,在3.8平方米的驾驶舱,除去驾驶台和座椅,几乎没有更多活动空间。在五天五夜的航行中,飞行员要吃饭、要上厕所、要清洗身体,但是更关 键的是,是没法睡个好觉。飞行过程中驾驶员每隔四小时才能躺在座椅上休息20分钟,飞行员胳膊上的振动报警器会在他睡20分钟后把他叫醒,其间飞机将由地 面系统辅助驾驶。

这是因为人体在睡眠25分钟后,会进入深度睡眠,这时万一飞机遇到紧急情况,可能叫不醒。所以飞行员进行了特殊的睡眠训练,作为一名精神病专科医生,皮卡尔使用的方法是自我催眠,而波许博格是通过做瑜伽和冥想快速进入睡眠。

“当然这不会很舒适,但这是完成前人无法完成的事情时,必须要付出的代价。”皮卡尔说,当然飞机很慢、很大、对气流非常敏感、难以操纵,但是如果很容易的话,许多人就已经做过了。

“下面的四段航程都非常长。”波许博格把南京到夏威夷这段航程称为moment of truth(关键时刻),这次飞行才会真正验证这架飞机是否名副其实,飞行员能否胜任。

由于气象预报难以知道五天后夏威夷的天气,所以位于摩纳哥的控制中心要对航行路线上的天气状况进行密切监视和模拟,找到最佳的路线。波许博格说,我们只知道一开始怎么飞,还不知道后来怎么飞。路线要不断调整。

当然,作为一架太慢、太大、太轻的太阳能飞机,阳光动力2号可能并不具备工业价值,但是其环球之旅最重要的是象征意义,它象征着人类对新能源的探索精神,以及对未知旅程和身体极限的挑战。

当然,这个团队并不满足于只有象征意义的飞行,他们的下一个项目,就准备尝试使用无人驾驶的太阳能飞机,替代卫星进行通信。波许博格说,每架飞机可以在2万米的高空飞行六个月的时间,为地面提供WiFi信号。

皮卡尔说,希望在不久的将来,这样的太阳能飞机也可以投入商用、民用,在保护环境的同时为经济的发展也带来最大的可能。■

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