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“阳光动力2号”中途“趴窝” 太阳能载人飞机环球之旅的启

发布时间:2019-10-24 15:26:00   来源:◎特约撰稿 吴叶菡    浏览次数:306

不耗一滴燃油,超长航时昼夜飞行,在2015年环绕地球一圈——这是瑞士设计的目前世界上最大太阳能载人飞机“阳光动力2号”的目标。今年39日,它从阿联酋首都阿布扎比出发,开始环球航行,并计划8月份返回起点。这项刷新人类飞行历史的事件,引发全世界的关注。然而,如今8月早已过去,这架象征着清洁能源新技术的空中新秀,却在途中“趴窝”了,滞留夏威夷。究竟发生了什么事情?92日,《环境与生活》杂志连线北京航空航天大学航空科学与工程学院老师孙康文,请他告诉我们这是为什么。

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不用燃油的“阳光动力2号”

 

集合全球80多家公司创意

“利用可再生能源,你可以做‘不可能’之事。”今年3月,“阳光动力”计划的联合发起人、瑞士著名探险家贝特朗·皮卡尔说着这番话,和也是发起人之一的安德烈·博尔施伯格,坐进不必耗费一滴燃油、完全利用太阳能便可昼夜连续飞行的载人飞机——“阳光动力2号”(Solar Impulse 2)的座舱里。两人从阿联酋首都阿布扎比出发,轮流驾机,开始了改写历史的环球飞行。

皮卡尔曾于1999年搭乘热气球,完成了为期3周的环球旅行。“当时,我最担心的事情就是热气球燃料耗尽。所以我对自己承诺:下一次,我要不使用一滴燃料。”于是,他大胆地想到了驾驶太阳能飞机。在向瑞士洛桑联邦理工学院咨询技术可行性时,皮卡尔结识了博尔施伯格,对清洁能源的喜好使两人一拍即合。博尔施伯格既是一名企业家,也是一名飞行员,曾为瑞士空军服役25年。他一生有两个爱好:飞行和创新。

其实早在十多年前,两人就曾邀请航空公司为他们设计、制造太阳能飞机,却遭到拒绝,因为这是“不可能完成的事情”。于是,两人决定自己组建设计、制造团队。2009年,他们造出了“阳光动力1号”,并于当年6月实现首飞。20144月,“阳光动力2号”研发成功,飞机集合了全球80多家公司所提供的创意、技术解决方案,其中只有一家公司来自航空界。而且,这架飞机上的每一个设计,都可以在其他地方得到应用,比如飞机驾驶舱的绝缘材料技术,也可应用于冰箱制造。

“阳光动力2号”是目前世界上最大的太阳能飞机,采用碳纤维材料制成,重量密度约为25/平方米;翼展近72米,镶嵌太阳能电池。白天,飞机“汲取”太阳能转化为电能,攀升至近万米高空飞行;晚上,它逐渐下降到3000米左右的高度,依靠储存在电池里的电能继续飞行。飞机没有减压舱,温度落差极大,白天气温最高可达30摄氏度,到了晚上又可能降至零下30摄氏度,飞行员得穿着有保暖设备的特殊服装,以适应温度变化。机舱座椅下面设有马桶装置,解决飞行员如厕问题。机上设有通话、网络等设备,可随时与地面联络。

两位发起人表示,“阳光动力号”飞机的诞生并不是为了制造太阳能载客飞机,而是希望通过环球飞行传递一个信息:清洁能源完全能替代制造污染的其他能源。

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4月下旬,“阳光动力2号”抵达南京,向公众开放参观。

孙康文/

 

电池出故障滞留夏威夷

“阳光动力2号”原计划自3月起以阿布扎比的沙漠为起点,一路西行,途中在阿曼、印度、缅甸、中国(重庆和南京)、美国、南欧或北非等地区共12个城市作短暂停留,然后于8月返回阿布扎比。整个环球飞行距离约3.5万公里,计划耗时5个月。

421日,飞机抵达南京,按原定计划停留3周,为之后飞往美国夏威夷的长途飞行做准备。南京至夏威夷是此次环球旅行中航线最长、最具挑战的一段旅程,直线距离约8500公里,预定飞行55夜。5月底,飞机离开南京,然而,海面上空的强风不断摧残机翼,博尔施伯格只得驾机紧急迫降于日本名古屋机场,滞留时间达1个月。直到628日,飞机重新启程,历时117小时52分钟、飞行7212公里,才抵达太平洋中部的夏威夷。它创造了3项世界纪录:最长时间太阳能飞机不间断飞行、最长时间单人驾机飞行和最远距离太阳能动力飞行。但是,这也付出了巨大的代价。

从离开日本的第一天开始,飞机电池就持续发热造成不可逆的损害,落地夏威夷后便被送至卡拉伊洛阿机场进行整修。由于过了夏至,北半球白天时间开始缩短,恐怕阳光供能不足,皮卡尔估计2015年完成预定环球行程已经不大可能,预计明年4月才能重新起航。在这期间,设计团队将研究长途飞行中的电池冷却方案。

设计团队的专家称,这次故障是电池板绝缘体出了问题。飞行中为充分吸收太阳能,飞机在白天的飞行高度达8500米,而夜间降至1500米,以降低能量供应。但他们未预计到热带气候中的气温随飞行高度变化而起伏明显,绝缘体失效致电池过热,出现故障。

北京航空航天大学航空科学与工程学院老师孙康文,专攻太阳能飞行器总体设计与能源系统优化配置技术研究,曾参加“阳光动力2号”环球飞行-南京站活动,现场参观了该架飞机。他在接受《环境与生活》采访时表示:“这是技术出错,但错误在所难免,因为飞机设计是高度复杂的系统工程,很多技术都需飞行检验和综合应用实践,才能得到修正。‘阳光动力2号’可算作一次飞行检验,专家能做的是尽量少犯错。”

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  瑞士“阳光动力”计划的两位联合发起人:贝特朗·皮卡尔(左)和安德烈·博尔施伯格。     来源:美国福布斯网站


上万片电池板薄如发丝

“阳光动力2号”的原型是“阳光动力1号”,不过“1号”的最远航行距离仅穿越了欧洲和北美,为让“2号”实现环球梦想,设计人员做了许多改进。孙康文说,太阳能电池的转换效率偏低,而且随日照存在波动,这是太阳能应用在飞机上的最大障碍。为解决这一难题,目前主要采取的措施有提高太阳能电池效率、智能化能源管理、改善飞机气动布局、多种能源系统综合利用、优化飞行路径等。面对障碍,瑞士的设计团队用一些创纪录的数字告诉世界,他们可以在一定程度上克服这些障碍。

“传统飞机只需考虑耗尽可用燃料所能持续飞行的时间,而太阳能飞机更多的要考虑昼夜循环飞行。为保证夜晚飞行的能量供应,必须有足够的太阳能转化为电能。”孙老师介绍,为此,瑞士设计团队将17248块薄至135微米(约为两根头发丝粗)的单晶硅电池覆盖于“阳光动力2号”的上翼面(“1号”电池的数量为1.1万块),每天可收集340千瓦时太阳能,这些能量以23%的光电转化率储存在锂电池中,为4台电驱发动机供电,效率比普通太阳能电池翻了一番。

2.3吨,这是一辆小货车的重量,也是“阳光动力2号”的重量。机身越重,就需要越多能量为发动机供电。本着“严格规划每一克重量”的理念,设计者采用碳纤维覆盖下翼面,这种材料的强度是钢铁的5倍以上。

空气动力学原理要求飞机必须有宽大“臂膀”,以实现机体的轻盈。为此,设计人员将翼展从第一代的63米增至71.9m,比波音747客机(世界首款宽体民用飞机,被称为“空中女王”)还要大,超过了波音747-8机型的68.5米翼展,既满足了空气动力学的要求,还能储存更多太阳能。

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机体上翼面覆盖17248块单晶硅电池,每块电池的厚度仅如两根头发丝。


  时速如同小汽车

这架形似滑翔机的空中新秀造价约1.5亿瑞士法郎(约合人民币近10亿元),其中只有4%来自瑞士政府,大部分都由合作企业提供。这与瑞士的环保理念有关,该国希望建立有利于环境和生态的市场经济体系,因此政府重视以经济手段促进环保,强调企业应在环境污染治理、环保中发挥重要作用。世界首架环球航行的太阳能轮船、成功环绕地球的太阳能汽车,均由瑞士制造。孙老师说:“在瑞士,整个市场都非常注重环保。”企业对环保项目出手阔绰也就不是新闻了。

相比其“土豪”式的成本,“阳光动力2号”的飞行速度却不显得那么耀眼。设计团队称,该机时速为36140千米/小时,如同普通小汽车的速度,与喷气式飞机800千米/小时的时速也相距甚远。于是有网友疑问,太阳能飞机大规模应用于客运可能吗?

“近期基本不可能。”孙康文说,它目前与常规飞机根本没法比,载荷能力太小,受环境影响大,没有阳光的话很成问题。但从长期发展的观点来看,太阳能是取之不竭的能源,不排除创新的设计能解决目前所面临的问题。

  

“临近空间”是研究热点

就现阶段来说,太阳能无人机仍是发展主流。太阳能无人机有长巡航时间的特性,动辄连续飞行几天,甚至数周数月不落地,无人机可利用这一优势作通讯或监视平台。孙康文介绍,我国太阳能无人机还处于初期发展阶段,出现了百家争鸣的状态。这类飞行器的应用优势明显,可替代卫星实现通信中继、信息传输、灾害监测等众多任务,是大家争先研究的主要原因之一。

孙老师告诉《环境与生活》,现在及未来一段时间肯定是太阳能无人机优先进入市场。瑞士设计这架价值不菲的太阳能载人机,目的在于探索下一阶段的发展方向。“很多新技术的发展初期,投入都是巨大的,都需要过程。研发‘阳光动力2号’,指明了‘临近空间’这个空域是现在发展的热点。”临近空间即航空与航天的结合部,距地面20100千米,现有飞行器能长期在这一高度飞行的很少。

“如果事情很容易,那么早就有人去做了。”这是皮卡尔最喜欢说的一句话。他和自己的团队以太阳能为出发点,用技术作行囊,将环游地球列入行动,证明了绿色能源新的可能性。

  

减排有功但非零污染

太阳能载人飞机靠减排让人舒心。据国际航空运输执行协会(ATAG)的数据,全球因航班运行排放的二氧化碳,约占全球人为二氧化碳总排放量的2%。这些航班几乎全采用不可再生的燃油作燃料。若在2020年前采用6%的生物燃料作为飞行燃料,全球的碳足迹将减少5%。毫无疑问,如采用太阳能这一清洁能源,航班飞行释放的二氧化碳量必将明显减少。但“没有什么是完美的”,这句话同样适用于“阳光动力2号”。

全球最大的专业技术组织电气电子工程师学会(IEEE)的调查显示,在生产太阳能电池板的过程中,原材料石英的提炼对矿工身体伤害巨大,生产时产生的有毒化合物四氯化硅、三氯氢硅等,因回收费用昂贵或遭遇被丢弃的命运,而一旦被丢入水中,将使土壤酸化,并释放有害气体。

对此,孙老师回应:“任何技术都是一把双刃剑,环境问题也需要综合考虑利弊,正如我们在进行飞机设计时更多地会考虑寿命周期费用,环境污染也应该从寿命周期污染去判断。”寿命周期费用包括整个项目寿命周期内的研究和研制费用、投资费用、使用和保障费用以及废弃物处置费用,不应拘泥于某一个时间点。新技术从发展到成熟有个过程,应该有综合的解决方案。


(如需要转载,请注明作者及转自《环境与生活》杂志)

责编:叶晓婷

网编:崔悦