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皮卡德的新冒险

2005-07-27 10:39 作者:吴戈 2005年第26期
47岁的瑞士探险家伯特兰·皮卡德计划在未来几年内创造所剩不多的航空纪录之一:太阳能飞机环球飞行

7月1日,英国《泰晤士报》报道:47岁的瑞士探险家伯特兰·皮卡德计划在未来几年内创造所剩不多的航空纪录之一:太阳能飞机环球飞行。

1999年3月20日,皮卡德曾经和英国人布赖恩·琼斯驾驶“百年灵轨道器3号”完成了热气球不着陆环球飞行。此举使人们似乎感到:航空技术的发展,已经使人类尚未突破的航空纪录只剩下一些非动力飞行的异类挑战,比如滑翔机飞越大西洋和太平洋、超轻型飞机环球飞行和气球两极间飞行。实际上,利用最新的技术创新,动力飞行仍有全新的突破空间,正如英国皇家航空俱乐部的巴里·罗尔夫所说:“谁知道将来还有什么会成为可能呢?”

追逐太阳

太阳能飞机惊人的续航力来自取之不竭的阳光。从理论上说,只要能追上地球自转的速度,使自己永远暴露在阳光照耀下,太阳能飞机就能永久飞下去,持续时间取决于部件的寿命极限。但要跟上地球的脚步,需要以接近两倍音速飞行,只有在已经退役的“协和”超音速客机上才能体验到,因此现实的永久飞行之道还必须面对黑夜的挑战。皮卡德说:“我们最大的问题是能否在白天储存足够的太阳能,保证夜晚飞行。”只要蓄电池的能量密度和重复充电能力,太阳能电池板的能量转换效率以及电动机的经济性达到足够水平,在空中数周数月地飞行下去,并不是一个遥不可及的目标。

目前,皮卡德在洛桑的瑞士联邦技术学院组织了50人的研究小组,正在研制称作“阳光推进号”(Solar Impulse)的轻型太阳能动力飞机,投资4000万欧元,并得到了法国达索航空公司和欧洲航天局的支持。

这架飞机将由碳纤维制成,重量仅1500公斤,翼展达80米,外形像一只巨大的蚊子,表面覆盖有240平方米的太阳能光电板,装有一组400公斤的锂电池,通过4台电动机驱动直径数米的螺旋桨缓慢旋转,能在10000米以上高度以120公里/小时的速度巡航飞行。

在这样的飞行中,“阳光推进号”从太阳得到的平均功率只与莱特兄弟1903年的飞机功率相当,要求锂电池每公斤的能量密度必须接近200瓦/小时。制造宽达80米的超轻细长机翼也是前所未有的技术考验,超薄和柔性的太阳能光电池要承受变形、振动、-60℃~+80℃的温度变化,还有强紫外线照射。在12000米以上高空驾驶,驾驶舱还需要增压、保温和除湿。飞机的起飞将完全自动完成,白天它将逐渐升高,夜晚则缓慢滑翔下降,以节省宝贵的能量,飞机底部也将安装太阳能光电板,接受反射的阳光,“一个光子也不放过”。项目科学家伊夫·勒提瑞尔说。

2003年皮卡德完成了可行性研究,2004年10月获得第一个大赞助商,到2005年底将完成概念设计,2007年前完成详细设计和组装。2008年的首飞将首先挑战整夜飞行,第二年则从36小时试飞开始,考验连续数天飞行的能力。然后,“阳光推进号”将尝试不着陆跨越欧洲大陆,不着陆跨越大西洋。从2010年5月开始,它将进行有着陆环球试飞,途中在每个大陆着陆一次,从欧洲出发,在波斯湾着陆,又从好望角到中国南部,再飞越太平洋到加州,最后经纽约和巴黎回国,每个航段持续4~5天,这是飞行员能够承受的极限。当电池效率达到足够水平,使重量得以进一步减轻时,“阳光推进号”将改装成可载两人,在北半球最终完成不着陆、无燃料环球飞行,平均速度每小时80公里。

绿色飞行

在能源消耗方面,飞机是最昂贵的交通手段,温室气体排放占全球3%以上。即使是皮卡德1999年的热气球环球飞行,也不只是御风而行,为保持高度,他们也烧掉了近4吨的丙烷燃料。“虽然难度不小,但太阳能飞机将是最纯净的绿色飞行方式。”为皮卡德提供咨询的AeroVironment公司工程师保罗·麦克里迪说。在皮卡德看来:21世纪的航空探险将超出单纯追求时间或距离的圈子,“阳光推进号”接近了神话般的永久飞行梦想,足够挑战想象力,同时又完全可行。更重要的是,皮卡德希望“这架飞机能引起对可持续发展技术更多的讨论”。对此他提出了一个颇有哲理的比喻,“我们全体地球人面临的难道不是与‘太阳推进号’的飞行员同样的境况吗?如果他没有先进的技术,不能高效地利用能源,他就不得不在太阳重新升起之前落地”。正因为这种绿色形象,“阳光推进号”也吸引了一些热心资源和环境问题的人士,皮卡德的赞助委员会就包括首次登月的宇航员奥尔德林、法国航空摄影大师阿蒂斯·贝特朗和科幻大师儒勒·凡尔纳的曾孙让·凡尔纳等名人。

同温层卫星

高空空气稀薄,基本没有云和风的影响,在高空长时间停留的太阳能飞机显然将在商业和军事上别具一格。一旦实现连续数月的飞行,在一定程度上,飞机也许可以当作漂浮的气球或者太空中的卫星一样使用。“太阳神号”的最终目标就是在特定目标上空两万米高度逗留6个月,即使只能逗留数周,也可以作为地球静止通讯中继平台,比现在使用的距地球36000公里的同步通讯卫星近得多,更便宜得多。在2003年坠毁前,AeroVironment公司及其子公司SkyTower曾计划到2006年利用无人机开展商用通讯中继服务,一架无人机可为20万用户提供至少5G/秒的宽带服务,几架轮流,就可连续运转,极具价格竞争力。2002年,SkyTower还与日本官方试验了用无人机作为“虚拟”手机基站,为临时聚集的大量人群提供服务,今后还可能部分代替卫星和地面基站。

与太阳能无人机竞争“同温层卫星”地位的还有无人飞艇,飞艇消耗能量更小,但受气候的影响大一些,需要更强的推进系统,气囊材料受臭氧和紫外线的影响也更大,还必须克服氦气缓慢渗漏的难题。美国亚特兰大Sanswire网络公司正在研制的高空通讯飞艇大如足球场,可留空18个月之久,表面上将装有数千平方米的光电层,每一年半更换一次。每艘飞船可运载1.5吨的设备,覆盖240公里范围。

冒险世家

皮卡德的家族富于探索、冒险和科学研究的传统,可能是对地球探索贡献最大的家族,有人评价道:他们一家三代人包含了人类最大胆的梦想——飞得比鸟还高,潜得比鱼更深。皮卡德的祖父,瑞士医生奥古斯特·皮卡德发明了增压舱,这使他1931年与助手保罗·基普弗首次乘气球进入同温层,高度15780米,成为第一个亲眼看到地球曲线的人,次年又到达16201米。他还发明了深潜器,1953年与儿子雅克·皮卡德下潜到3150米,成为当时飞得最高,也潜得最深的人。这些经历,还使他成为法国漫画《丁丁历险记》中卡尔库鲁斯教授的原型。

雅克·皮卡德继续改进了深潜器,1960年乘“的里雅斯特号”到达地球海洋的最深处,10915米的马里亚纳海沟的“挑战者深渊”。在那里,他发现有生物和海流存在,最重要的是打破了人们以为废物抛入海底就万事大吉的无知。

伯特兰·皮卡德生于1958年,不光是精神病学家,也具有丰富的飞行经验,16岁开始悬挂滑翔,曾获欧洲航空特技冠军,发明了多个航空特技动作,创造过世界高度纪录。他还是超轻型飞机和悬挂滑翔教练,1979年开始热气球飞行,1992年获得克莱斯勒跨大西洋挑战奖,在国际航空联合会、美国国家地理协会和探索者俱乐部都享有很高声望。1999年的成功被视为“20世纪最后一次大冒险”,这个气球目前与“阿波罗11号”和莱特兄弟的飞机一起陈列在美国国家航空航天博物馆大厅内。对探险,皮卡德有独到的观点:“探险不光是引人注目之举,而是非凡的活动,意味着拓展我们的常规思维和行为,它迫使我们离开已经习惯的已有确切知识的保护。”

空中永动机:太阳能飞行史

《墨子·鲁问篇》记载:“公输子削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下。”后世认为“三日不下”很可能是夸张之辞,即使是现代飞机,因为不可能携带那么多燃料,续航时间都是有限的,空中加油使续航时间可以大大延长,但那是消耗更多能源的结果,从资源和环境角度看非常不经济。

2005年5月,美国国家海洋与大气局(NOAA)试飞了Altair无人机,该机源自曾在阿富汗和伊拉克大显身手的“捕食者”军用无人机,翼展从20米加长到26米,空载时能在15850米高度连续飞行36小时,基本上是批量生产的涡轮螺旋桨发动机飞机的最高水平。2005年3月,福塞特用67小时完成驾喷气式飞机单人不着陆环球飞行,则是特制的载人飞机最长的续航时间。

6月1日下午16点08分,美国AC推进公司研制的一架名为SoLong的太阳能无人机从南加州某地起飞,连续飞行48小时16分后才降落。如果不是因为在地面负责遥控的飞行员精疲力竭,它还能飞更长时间,因为降落时它的电池电量只下降了不到5%。

SoLong采用的是笔记本电脑的锂离子电池,它的奥妙在于白天储存足够的电能供晚上飞行使用。4月21~22日,它用100块LG化学公司的锂离子电池首先实现了24小时连续飞行,但因电池储电能力有限,只能飞行两个半夜,无法整夜飞行,也无法储存白天的全部太阳能。5月底,SoLong安装了120块电池和76块单晶硅光电板,后者在1.5平方米的机翼上占据了1.2平方米的面积。借助一台800瓦的Kontronik电动机,这架总重12.8公斤、翼展4.8米的动力滑翔机速度可以达到45~80公里/小时,最大爬升率149米/分,只需95瓦的能量就能在空中盘旋,单纯利用电池能量可爬升到15240米。

为了保证连续飞行,SoLong由6名熟练的滑翔机飞行员遥控操纵,使它在白天尽可能依靠上升气流,关闭发动机,折叠螺旋桨进行滑翔,将电池板储存的能量留到夜间使用。它的飞行特意安排在白昼较长的夏天和基本无云的天气,机上也没有其他有效载荷,因此还没有太大实用价值。目前,最新的太空级光电板已经将效率从20%提高到28%,输出功率增加40%,加上新一代锂离子电池,更加实用的太阳能无人机连续飞行多日并非幻想。虽然新光电板的成本也增加了100倍,覆盖SoLong的机翼需要15万美元,但成本必然会下降。

太阳能飞机是70年代随着成本合理的太阳能电池的出现而问世的,当时只有微型型号,直到1980年才首次载人飞行。美国的保罗·麦克里迪小组研制的“太阳挑战者”最大功率只有2.5千瓦,却于1981年成功地飞越了英吉利海峡,这也是迄今为止载人太阳能飞机飞行的最远距离——262公里。1990年,美国的埃里克·雷蒙德驾“寻日者”太阳能动力滑翔机分21段飞越了美国大陆,历时两个月,最长航段距离400公里。这架飞机空重89公斤,太阳能电池由非晶硅制成。

1991年,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和AeroVironment公司开始为“星球大战”计划研究无人太阳能飞机“探路者”,1995年在15400米高空飞行了11小时,创造了太阳能飞行纪录。

90年代中期的“伯布林格”大赛对太阳能飞机提出了挑战:当太阳能辐射低至500瓦/平方米时仍能在450米高度保持平飞,这么点阳光还不到赤道地区中午阳光的一半。1996年,斯图加特大学的福伊特·尼希曼教授的小组获得这项大奖,他们的“伊克尔2”翼展25米,太阳能电池面积26平方米。

最著名的太阳能飞机是AeroVironment公司为NASA的ERAST(环境研究机和传感器技术)计划研制的“太阳神号”无人机,耗资1500万美元。这架飞机是在1998年末试飞的“百人队长”的基础上放大而成,翼展增加12.5米,达到75.3米,是“探路者”的2.5倍,比波音747还长,上翼面安装有62000块SunPower双面硅太阳能电池板,能将接受到的19%的太阳能转换成电能,夏日正午时最高功率可以达到35千瓦。2001年8月,“太阳神号”达到29524米的高度,创造了螺旋桨有翼动力飞机持续高度世界记录。不幸的是,该机2003年6月26日在试验燃料电池系统时遭遇湍流而解体,坠入太平洋。

在“太阳神号”上,燃料电池只是太阳能电池的补充,用于为夜间飞行提供能量,在携带的液氢耗尽之前,它可以在同温层连续飞行两周。如果采用包括水和电解装置在内的可再生燃料电池系统,效率更高,如果其他系统可靠性有保证,当时设想的生产型“太阳神号”可望一次连续飞行数月。最近AeroVironment公司又开始研制完全依靠燃料电池的无人机“环球观察者”,6月2日样机进行了第二次试飞,计划两年内问世。该机的动力来自液氢燃料电池,在宽约76.2米的机翼上分布着8台电动机,能在19812米高空飞行7~10天。

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