太阳光

1999 年 3 月 21 日早晨，伯特兰·皮卡德和布莱恩·琼斯将他们的气球降落在埃及沙漠，完成了首次不间断环球飞行。在庆祝活动中，皮卡德发现了一个令人震惊的事实：维持气球飞行所需的丙烷罐几乎空了。“如果大西洋上空的风再小一点，我就会放弃，”他说。皮卡德当时发誓要设计一种不使用任何燃料的环球飞行方法。

从 5 月开始，皮卡德和一名搭档将轮流驾驶一架单座太阳能飞机从旧金山飞往纽约——这是计划于 2015 年进行的环球飞行的序幕。皮卡德的飞机被命名为 HB-SIA（即 Solar Impulse Alpha），它颠覆了传统的航空智慧。当他第一次告诉别人他的梦想时，“几乎每个人都认为我疯了”，他说。尽管像保罗·麦克雷迪这样的先驱者自 1970 年代以来一直在制造载人太阳能飞机，但没有一种能够在太阳落山后飞行，更不用说连续几天飞越大西洋和太平洋了。

障碍是重量。要飞行一整夜，飞机必须利用白天充电的电池供电。但电池每磅的能量远低于一箱喷气燃料，因此飞机必须携带更多重量的电池才能飞行相同的距离。较重的飞机需要更多的能量才能飞行，这反过来又需要更多的电池电量。加上驾驶舱和飞行员，飞机可能太重甚至无法起飞。这就是为什么太阳能飞机研究通常集中在无人驾驶飞行器上，例如 NASA 的飞翼Helios 。

皮卡德是瑞士精神病学家和飞行员，出生在一个敢于挑战的冒险家家庭：1960 年，他的父亲雅克首次航行到海洋最深处；1931 年，他的祖父奥古斯特成为首位到达平流层的气球驾驶员。皮卡德继续推广他的太阳能飞机概念，瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 同意在 2003 年进行正式的可行性研究。研究结论是，一架翼展较长的超轻型飞机可以减少阻力并支持太阳能电池，这是可行的。领导 EPFL 研究的飞行员兼工程师安德烈·博尔施伯格 (André Borschberg) 与皮卡德一起正式创立了阳光动力号，他们开始招募企业和个人捐助者来帮助资助这个耗资 1.3 亿美元、为期 10 年的项目。

两人很快就遇到了寻找航空承包商来制造飞机的问题。没有人认为这是可行的，所以他们组建了自己的工程师团队。“我认为我们航空业以外的人比业内的人多，”博尔施伯格说。阳光动力公司的飞机开发负责人罗伯特·弗拉费尔 (Robert Fraefel) 拥有一级方程式赛车的背景。其他人则来自光伏制造和压铸等行业。“从某种程度上来说，经验不太丰富是一种很大的优势，”博尔施伯格说。“当你有经验时，你会回到你所知道的解决方案。”

两人立即遇到了寻找航空承包商来建造飞机的问题——没有人认为这是可能的。团队决定完全用碳纤维（由一家游艇制造公司制造）建造框架的肋骨和翼梁，并用高性能塑料螺丝和螺栓连接。这些材料重量轻，但强度足以使 HB-SIA 的翼展达到 69 码——几乎与空客 A340-500 客机的翼展完全相同。然而，这架飞机的重量刚刚超过 3,500 磅，不到空客重量的 1%，比典型的 SUV 轻约 2,000 磅。

为了给飞机供电，工程师在主翼和水平尾翼上叠放了近 12,000 块硅太阳能电池。这些电池在 24 小时内平均可产生 50 千瓦的电力，在飞机飞行时直接将电力输送到发动机，多余的电力则输送到四块锂聚合物电池。电池管理系统可确保电池不会过冷而降低其效率，也不会过热而造成危险。

经过四年的设计和两年的建造，这架飞机于 2009 年底在瑞士杜本多夫的机场完成了首次“试飞”，飞行高度达到 1,148 英尺。真正的考验发生在 2010 年 7 月，当时博尔施伯格首次驾驶这架飞机在瑞士帕耶讷上空飞行。“我们不知道这架飞机的具体性能如何，”他说。“我们会比计划消耗更多的能量吗？我们会遇到下降气流吗？”在没有自动驾驶仪的情况下，他以坐姿连续飞行了 26 个小时，使用瑜伽技巧在狭窄的机舱中伸展身体。当他着陆时，他已经创下了三项纪录，包括有人驾驶太阳能飞机的最高飞行高度（30,300 英尺）和最长的太阳能飞行时间（26 小时 10 分钟 19 秒）。

HB-SIA 原型机证明了该团队的飞行器概念是可行的，但它无法环球飞行。由于太阳能飞行速度较慢（HB-SIA 的巡航速度约为每小时 43 英里），皮卡德估计，横跨大西洋需要三天不间断飞行，横跨太平洋则需要五六天。这就要求飞机具有冗余系统和更符合人体工程学的驾驶舱，使飞行员能够睡觉；更高的效率以创造更多的能量储备；以及防泄漏电子设备，以便在潮湿的条件下飞行。因此，阳光动力团队目前正在建造 HB-SIB。“第一架飞机采用了 2007 年的技术。第二架飞机采用了未来的技术，”皮卡德说。

HB-SIB 体积比 HB-SIB 大 11%，将配备自动驾驶仪、更高效的电动机和由更轻的碳纤维材料制成的骨架。得益于索尔维和拜耳材料科技开发的新电解质和电极，电池的能量密度将更高——该技术已应用于电动汽车和消费电子产品。这两家公司还为飞机的翼尖和驾驶舱隔热层开发了硬质高性能聚氨酯泡沫，拜耳目前已将其用于冰箱和建筑行业。

皮卡德很高兴他的项目推动了其他行业的技术进步，但他也希望太阳能飞机能激发人们对可再生能源的追求。“我们经常谈论环境保护，这很无聊，”皮卡德说。“这关乎更少的流动性、更少的舒适度、更少的增长。”相反，他希望证明开发太阳能的潜力将带来更多的自由。