阳光动力的清洁能源宣言

杨聃

2015年1月，“阳光动力2号”落地阿布扎比。图为飞行员皮卡尔（左）和博尔施伯格

“阳光动力2号”到达南京的时候比既定行程晚了约一个月，因为前一站重庆的气候条件不足，不得不推迟飞行计划。“13年都等了，更何况这几个星期呢？”阳光动力计划发起人之一的伯特兰·皮卡尔（Bertrand Piccard）对媒体表示。南京站之后就是此次环球之旅最困难的一段——飞行员在3.8立方米的狭小机舱中持续工作5天5夜，横跨太平洋抵达夏威夷。

历史上第一次不间断横跨太平洋的航行历时41小时，如今虽然“阳光动力2号”花费的时间比84年前还长，但这家飞机完全由太阳能提供动力，不耗费一滴燃油。的确，能源预言家们相信可再生资源最终会在多种方面代替化石燃料，而航空业将是最后一批被代替的行业，毕竟，单位重量下化石燃料产能较高。阳光动力计划的另一位发起人安德烈·博尔施伯格（André Borschberg）明确表示：他们并非要对航空业进行革命。

“阳光动力2号”是一架怎样的飞机？

去年4月问世的“阳光动力2号”翼展达72米，比波音747-8型的翼展还要宽3.5米;机长22.4米，接近一个篮球场的长度;机高6.37米，相当于三层楼;重量仅有2.3吨，跟一辆宝马760Li的重量相差无几。它巨大的尺寸与其飞行性能数据并不成比例，起飞速度只有每小时35公里，平均时速60公里，最大时速不过140公里。“速度是比不上喷气式飞机，可是会有另外的回报。”安德烈表示。“阳光动力2号”集合了材料、电子、结构、人机工程学最顶尖的技术于一体。它的机翼、机身和水平尾翼上共贴敷了1.7248万片135微米厚的单晶硅薄膜太阳能电池，虽然23%的光电效率并不是世界上最高的，却是平衡了能效、强度和重量后的最优选择。“起飞的时候电池还是空的，落地的时候电池都满了。”这些电池可以产生最大70千瓦的功率，输出给四台单台功率13.5千瓦的电动机带动四扇直径4米的双叶螺旋桨给飞机提供动力。整个推进系统的电力动力转换效率高达97%，远远高于通常的27%。这四组电池总重633公斤，能量密度达到了260瓦时每公斤，约是市面电动汽车的电池能量密度的1.3倍。

白天飞机在电动机的带动下，最高可上升到9000米的高度，阳光充足时多余的电力还会向四个发动机吊舱中的锂聚合物电池组充电。夜间飞机下降到8600米的高度滑行，这也是电池放电的过程。由于要用尽可能少的能源飞更远的距离，整架飞机的空气动力学布局采取了滑翔机外形。细长的机翼里布置了140根碳纤维肋条，外表的蒙皮则采用了一种全新开发的树脂薄膜材料，厚度仅有17微米。除了机翼肋骨，机身的大部分骨架和硬质外壳也都采用了碳纤维材料，某些碳纤维板材每平方米的重量仅有25克，是普通打印纸的三分之一。为了减重，驾驶舱并未像民航飞机那样配备了增压和空调系统，得益于碳纤维材料出色的保温效果，即使高空飞行中温度降至零下30多摄氏度，飞行员在飞机外壳和特殊防护服的保护下也能抵御寒冷。同样是为了减重，“阳光动力2号”的机舱只能容纳一位飞行员，伯特兰和安德烈不仅是阳光动力项目的发起人，也是环球航行的飞行员，交替完成整个航行，一位在飞行时，另一位在地面休息的同时提供协助。

阳光兄弟

“我在联邦理工学院（ETH）结识了安德烈。”伯特兰回忆道。2003年他带着阳光动力的想法在瑞士苏黎世联邦理工学院进行可行性研究，9个月的时间，40多个实验室一起探讨太阳能动力飞机的可行性。“他是一个执行力很强的人，每件事经过周密的计划和组织之后就会立即采取行动。坦白说，我对他有崇敬之情。”安德烈毕业于洛桑联邦综合工业大学（Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne）机械工程专业以及美国麻省理工学院的管理科学专业，他从小就对航空飞行十分着迷，曾在瑞士空军学院（Swiss Air Force School）接受飞行训练，并持有各类固定翼飞机和直升机的专业飞行员驾照。

“对皮卡尔家族和伯特兰我早有耳闻，能与这样的人合作非常难得。很幸运当有这样一个机会来临时，我抓住了它。”安德烈对本刊记者说。伯特兰不仅是一名精神病学医生，也是第一届跨大西洋热气球比赛的优胜者。1999年3月21日，他和英国人布瑞安·琼斯（Brian Jones）乘坐的混合型气球降落于埃及，为期19天21小时55分不间断环球飞行画上了句号。

皮卡尔家族在科学探险界是名门。其家族的历史要追溯到瑞士化学家儒勒·皮卡尔（Jules Piccard），他培养了双胞胎儿子——奥古斯特（Auguste）和让（Jean）——对科学的兴趣。之后，让·皮卡尔到美国发展，成为有机化学家，并与妻子一起致力于开发有机合成材料的气球。而留在欧洲的奥古斯特主修物理，也对气球飞行产生了浓厚的兴趣。1931年，奥古斯特与助手保罗·基弗（Paul Kipfer）搭乘气球从德国奥格斯堡升空，成为世界上最早到达平流层的人。在那里，他们还对上层大气和宇宙射线进行了一系列测量。

在号称世界上平均智商最高的那张合影里就能找到奥古斯特的身影，他参加过5次索尔维会议（Solvay Conferences）。据说，埃尔热就是以奥古斯特为原型创造了《丁丁历险记》里的卡尔·库鲁斯教授这个漫画人物。1920年，奥古斯特的儿子雅克（Jacques）出生了。在父亲的熏陶下，雅克也涉足科学探险，他开始帮父亲设计和改进深潜器，制造深潜器的灵感来自耐压结构的高空气球吊舱。1960年1月23日，雅克和美国海军军官唐·沃尔什（Don Walsh）一起乘坐他参与设计的“里亚斯特号”（Trieste）深潜器经过5小时的下潜，到达马里亚纳海沟沟底。直到2012年，电影导演詹姆斯·卡梅隆再次打破北太平洋深处的平静。从小跟父亲雅克上天入海，伯特兰接受的家族教育是不重复别人做过的事，把新的想法变成现实。

“阳光动力2号”在机翼、机身和水平尾翼上贴满了单晶硅薄膜太阳能电池

2003年11月，伯特兰和安德烈两个背景和风格完全不同的人组合在一起，因为无间的合作被称为“阳光兄弟”。工作分配上，安德烈主内，伯特兰主外，前者运用管理经验组建了55个来自多领域、拥有不同背景的专家团队研发飞机，后者则发挥了其影响力和演讲才能为项目筹集资金。

2009年6月26日，“阳光动力”原型机——首架无需化石燃料驱动便可实现昼夜飞行的飞机HB-SIA面世。第二年，安德烈驾驶“阳光动力”原型机完成了太阳能飞行历史上的首次夜航。2012年，“阳光动力”原型机从瑞士贝耶纳出发，飞越地中海抵达摩洛哥，完成首次洲际飞行。随后，“阳光动力”原型机从旧金山飞往纽约，中途在菲尼克斯、达拉斯、圣路易斯和华盛顿特区停留，成功穿越美国。“阳光动力2号”自2015年3月开始的环球之旅从阿联酋首都阿布扎比起飞，途经阿曼的马斯喀特、印度的艾哈迈达和瓦拉纳西、缅甸的曼德勒、中国的重庆和南京，飞越太平洋抵达夏威夷，随后横跨美国大陆。在美国大陆期间飞机计划停留3站，其中两站确定为凤凰城以及纽约肯尼迪机场，而计划位于美国中西部的那站届时则将根据实际天气状况确定。随后飞机将再次起飞横越大西洋，在南欧和北非做最后几站的停留，最终返回出发地阿布扎比。

飞行体验与5天5夜

在飞行之前两位飞行员必须要做一些准备和训练。“对于安德烈来说，始于17岁的驾龄让他对飞机的操作了如指掌，而我的经验就没那么丰富了，除了热气球只有驾驶滑翔机的相关经验，安德烈教我很多飞行技巧，而我则用我的医学背景建议他如何在飞行中保持舒适。”伯特兰说，“在模拟器中进行的训练让我们在身体和心理上做好准备。训练之余，我们也经常讨论在极端情况下应该采取什么样的措施。冒险并不是蛮勇，如果飞机倾斜角度到达15度就要弃机。这也是我接受的训练之一，闭着眼睛都要知道如何使用降落伞，以及随后的求生技能。”对于操作感受，安德烈更加有发言权。“毕竟我是亲眼看着这架梦想中的家伙从计算机屏幕一步一步成型的。‘阳光动力2号跟我们以往驾驶的飞机大不一样。一开始的时候你可能会觉得它有点迟疑，所有的操作反应都很慢，刚开始确实很棘手。幸好我们先造出了飞行模拟器，才不会摔飞机。”

飞跃太平洋的5天5夜是整个行程中最困难的一段，这不仅是对太阳能飞机的挑战，更是对飞行员的挑战。因为飞机翼载太低，换句话说太大，太轻，对气流特别敏感，飞行员需要在航行中时刻保持警醒以防飞机失控。对于民航飞行员来说，借助自动驾驶仪可以放心地在飞行过程中休息，而“阳光动力2号”即便有特别开发的自动驾驶仪和地面控制中心的实时监控，飞行员还是只能每隔几小时睡20分钟，过程中如果机翼倾斜角度超过5度，飞行员就会被衣袖上的振动器震醒。他们也通过瑜伽、冥想和自我催眠来保持尽量清醒。“自我催眠对我来说是非常奏效的方法。通常情况下我们的意识是外在的，而自我催眠可以将意识带回内在。这样就能观察自身，我是否紧张，是否有压力，是否有坏的情绪，然后我们可以通过呼吸把这些负面因素排出体外，达到完全的放松。这样就能更专注或许更有勇气和体力去完成我必须要做的事情。”伯特兰表示。安德烈认为这种作息方式结合相应的方法非常好用：“虽然我们这样训练了很长时间，但并没有结合真正的飞行持续5天，跨越太平洋仍然算是首次尝试。”

通常情况下，飞行员每天的供给是2.4公斤食物、2.5升水和1升运动饮料。航行中，飞行员的吃喝拉撒睡都在飞行座椅上完成。座椅不但集成了厕所，下面也有降落伞和救生筏以供不时之需。幸好，“阳光动力2号”的设计可以保证飞行员在休息时完全展开双腿。事实上，飞行的过程没有想象的那么苦闷和紧张，伯特兰和安德烈不仅能自拍，还时刻与地面保持联系。和地面的交流包括很多类型，比如和法国方面的交流以及和摩洛哥地面控制中心的交流，后者尤为重要，讨论最频繁的是飞行的策略。“摩洛哥那边会进行模拟测试来预测后面的飞行情况，他们对卫星发送的飞机数据和天气情况做出反馈，这样即便是面对5天5夜的飞行也不会让我们感到惊慌失措。另外20位工程师和技师从各个方面给予我们协助。”安德烈还分享了一次有趣的经历：“虽然我们做了很多模拟飞行，但有一项貌似忽略了，以至于我第一次飞行要吃早餐的时候，打了个电话给地面控制中心：‘嘿，你们知道勺子放哪了吗？听完这个问题，所有人都大笑不止。”

对于两位飞行员来说，机舱里的娱乐活动就是欣赏眼前的世界，千差万别的地貌和自然的魅力。“这是一个难得的机会让我活在当下，观察自身，观察周围的环境。我不必担心何时要到达哪里，我只需要知道如何用这样一个可再生资源来完成这一项目。”安德烈补充道。

新技术与新能源

太阳能飞机的概念来自伯特兰1999年的热气球环球飞行。“那次飞行我一直忐忑不定，害怕在完成探险之前燃料就用完了。落地时，我们只剩了40公斤液化丙烷，行程开始时我们可是准备了3.7吨啊！这让我深刻体会到了依靠化石燃料意味着什么。我也下定决心，下次环球航行不再用燃料。”阳光动力正是这样一个解决方案。伯特兰的出身对其项目的推行也有不利的影响，那些不看好的人觉得，作为一个探险世家的继承人，这样一架飞机能够满足他的存在感，却是一种荒唐的行为。很多评论家也做了负面的评价。在接受外媒采访时，伯特兰表示：“让他们回到怀特兄弟的时代，看到用木头和布料做成的飞机，他们同样觉得没有未来。但事实是怎样的？飞机不但把人们从大洋的一边送到另一边，66年后，人类甚至登上了月球。”

阳光动力的合作伙伴中没有传统飞机制造厂。“瑞士有句老话，灯泡不是卖蜡烛的人发明的。我们需要跳出固定思维来想问题。”伯特兰说，“事实上，不仅仪表显示器和提醒飞行员预警的振动器，就连超轻着陆灯系统也是腕表品牌欧米茄提供的。整套系统包括强化LED灯和着陆LED灯、聚焦透镜、电缆、电源变压器和连接器，共重1公斤，并且仅耗费150千瓦的电量。”为了监控飞行员的身体状况，火柴盒大小的远程心电监测设备可以让地面的医学专家随时获得基本的参数。负责开发这套系统的公司也正在试图将其装配在汽车上，防止疲劳驾驶。用于“阳光动力2号”的技术可以转换成高空通讯平台，它可以在距离地面15～20公里的地方停留数月甚至数年。这对于发展中国家来说，可以用比卫星低的成本实现通讯网络的覆盖。

就像登月一样，阳光动力计划同样刺激了那些可以应用于地面的技术革新。“无论是冰箱里新的保温材质还是路面交通的电池，如果我们能在飞机上应用成功，我们就能把它们应用在任何领域。毕竟，应用于飞行器是最难实现的。”伯特兰说。

（本文参考了果壳网对阳光动力的报道以及CNBC对伯特兰·皮卡尔的访谈）