清明节后，世界最大太阳能动力飞机“阳光动力2号”（SolarIm－pulse），即将从重庆飞往南京。连日来，国人对这架从阿联酋首都阿布扎比飞来的大飞机兴趣不减，它所代表的高新技术，在未来有何应用意义也引发讨论。记者近日采访沪上专家，一起来深入解析这架靠阳光飞行的大飞机。
绿色飞机有效减少CO2排放
世界经济，特别是亚太经济的快速发展使得航空运输量也不断增长，航空业对环境的影响日益成为各国航空界关注的焦点，并成为技术发展的重要推动力之一。减少甚至不使用化石燃料让飞机飞行是人类长期以来的一个梦想，多年来科学家和冒险家努力将梦想化为现实。早在20世纪中期太阳能飞行器的研究就开始了，直到上世纪70年代，随着太阳能电池的成本得以控制，太阳能飞机的设计和建造也终于完成，不过仅为微型机。
“阳光动力2号”并不是首架将太阳能转化为电能提供飞行动力的飞机，在此之前，无论他的“哥哥”“阳光动力1号”或是更早些由美国国家航空暨太空总署（NASA）和美国无人机厂商Aero Vironment公司合作研发的“太阳神号”等飞行器都曾经将在蓝天白云间不断挑战太阳能飞行的高度和长度。
“实际上国际上已经有许多研究机构或公司进行过此类尝试，也遇到过不少问题。‘阳光动力2号’无疑是一架绿色飞机，相比其他，它在‘阳光动力1号’的基础上做了改进，应该说在飞行器的综合集成方面表现突出。”上海交通大学航空与航天学院副研究员宋文滨说。
据了解，目前航空业的二氧化碳排放量已占全球人为二氧化碳总排放量的2%，并且每年仍在以3%的速度增加。已有一些航班采用由石化航空燃料及完全由废弃食用油提炼而成的生物航空燃料制成的混合燃料推动，从上海飞往香港其间二氧化碳排放量约可减少25公吨。
减重设计波音747的百分之一
一架飞机的设计需要综合各种因素，“阳光动力2号”将空气动力学、材料、结构、电子、人机工程学等方面的先进技术集成一体。“太阳能的功率比较小，这对飞机来说是一个挑战。”宋文滨解释，因此它必须首先克服“体重”问题。“阳光动力2号”的机体使用碳纤维材料，承载能力高重量轻，其中一些碳纤维板材每平方米的重量仅有25克；为了减重，驾驶舱未配备增压和空调系统，而是通过舱体使用轻质保温隔热材料，及为飞行员配备特殊飞行服来抵御飞行中遇到的“冰火两重天”；此外，储存电能的太阳能面板也选用轻薄款。这样一来，整架飞机重量控制在2300公斤，这仅相当于一辆小轿车的重量，仅有波音747飞机的百分之一重。“此外，飞机本身使用太阳能也减轻了携带燃料的重量。”宋文滨补充道。
飞机大而轻，受气流的影响会很大，因此气动效率和操稳特性也是一大难点。空气阻力中的诱导阻力受到翼展影响，翼展越长诱导阻力越小。“对于民用飞机的设计，翼展受到跑道宽度等因素的约束，往往是一项‘硬约束’。最大的宽体飞机A380机型的80米翼展已是极限，而对于太阳能飞机这样的小飞机来说，72米已经非常长了。除了重量的考虑，实际使用的现实问题也必须参考，如果过宽就没有机场能够降落了，因此需要平衡考量而不可能无限延长机翼。”宋文滨认为“阳光动力2号”72米巨大翼展正是这款太阳能飞机空气动力设计最大的特点之一，即便更多面积能够获得更多太阳能，机翼也不可能设计得再宽了，而是通过在机身上布置太阳能面板作为补充。
此外，速度也是“阳光动力2号”安全飞行的关键。它的起飞速度只有35千米/小时，巡航速度为90千米/小时，最大速度不过140千米/小时。宋文滨解释，对于此类太阳能飞机，速度过快会使得空气载荷过高而带来结构重量的增加，通过计算90千米/小时可能是最佳时速。正因如此，“阳光动力2号”日前从马斯喀特飞抵艾哈迈达巴德1500余公里就用了14小时，而14小时普通商业客机已经可以从上海飞到半个地球之外的纽约了。
除了综合取胜，在宋文滨看来，“阳光动力2号”在驾驶舱设计等方面也进行了前沿探索。在整个环球飞行中，最具挑战的航段将是几天后从南京出发飞越太平洋抵达美国夏威夷的这一段。这段漫长的飞行预计需要5天左右的时间，而期间飞行员将在3.8立方米的狭小机舱中持续工作和短暂休息。“当环境和空间都受到限制时，如何让飞行员能舒适地保持长时间飞行也是一项值得探索的课题。”宋文滨说。
未来应用运载多人还不大可能
那么，太阳能是否能成为飞机的主要能源来源？这也是本次“阳光动力2号”受到万众聚焦的焦点。它的机翼、机身和水平尾翼上共贴敷了17248片135微米厚的单晶硅薄膜太阳能电池，转换效率为23%。这些电池可以产生最大70千瓦的功率，这些电力可以输出给四台单台功率13.5千瓦的电动机带动四扇4米直径的双叶螺旋桨给飞机提供动力。阳光充足时多余的电力向机载锂聚合物电池组充电。上海交大机械与动力工程学院太阳能发电及制冷教育部工程研究中心主任王如竹教授表示，太阳能功率低，维持一个人的飞行尚且可行，倘若要运载多人恐怕在民用飞机的运用上还不太可能。“不过，在卫星等小型的航天器的使用中，太阳能的运用已经非常普遍。”
纯太阳能飞机的梦想早已有之，但其工程实现既需要单项技术的进步，也需要综合集成能力的提高。在宋文滨看来，此次“阳光动力2号”的环球飞行很好地验证了纯太阳能飞机实现长航时飞行的可行性。“最终的目的是希望将来能够在实际中得到应用。但目前看来，离将来在实际中的应用还有一定距离。”他说，“比如一架太阳能飞机能带多少人、多少货，或者多少商用机场能够接纳着陆的实际价值还有待商榷。不过，在无人机等小载荷飞机实现上还是很有意义的。同时，可以进一步宣传绿色航空的理念，推动新技术的研发。”
“阳光动力2号”昼夜飞行的环球之旅也是人类飞行史上的又一次为大冒险，也令人们看到太阳能作为清洁能源的无限可能。太阳能飞机或许距离普通人还很遥远，但我国太阳能技术发展并不落后。王如竹教授表示，尤其是太阳能用于民用建筑领域，为居民提供生活能源，我国具有很大发展前景。
【相关链接】伯特兰·皮卡德迎着阳光的冒险
57岁的瑞士人伯特兰·皮卡德是一位精神病学专家，但他的生活不止于此。1999年3月21日他和英国人布赖恩·琼斯一起，乘“百年灵热气球三号”用时19天21小时55分飘行了40000多公里，完成了世界上第一次乘热气球不间断环球旅行。如今，他又驾驶着太阳能飞机再次挑战环球之旅。
冒险世家三代都是世界纪录创造者
皮卡德出生自冒险世家，上溯两代都是著名的冒险家。其祖父奥古斯特·皮卡德第一个乘坐热气球到达距地面16201米的平流层；其父雅克·皮卡德首次用潜水器潜到水下10916米的太平洋最深处。
1992年，为纪念哥伦布发现美洲大陆，皮卡德参与了第一次热气球横越大西洋活动，然后先后三次尝试环球飞行，直到1999得以如愿。
因为完成了人类历史上首次无间断的热气球环球飞行，瑞士为他的壮举发行了一套邮票；英国女王伊丽莎白二世邀其为白金汉宫的座上客；而在美国国家航空航天博物馆里，他的热气球载人舱与载人首次登月的太空飞船阿波罗11号摆放在一起。
但是，他的挑战并没有终止。“当我有一个向上飞得最高的祖父、向下潜得最深的父亲，我还能做些什么呢？那是很难超越的。幸运的是，还有地平线。”伯特兰经常这样说。
清洁能源希望摆脱对化石燃料的依赖
1999年的热气球飞行，气球上带着3.7吨燃油，但在埃及降落时，只剩下区区47千克燃油，燃油短缺几乎导致气球葬身大西洋。“希望让飞行摆脱对化石燃料的依赖性”，这个设想促成皮卡德开始一项新的探险。
当时没人相信这个计划会成功，除了一个人：安德烈·博尔施贝格，这位麻省理工学院的毕业生同样相信“人类的意志加上新技术可以真正改变世界”，于是2004年两人创办了太阳动力公司，2009年，制造出第一架验证机HB-SIA型，2010年成功驾驶该飞机不间断飞行了24小时，2012年成功实现瑞士至摩洛哥的跨洲飞行，2013年自西向东穿越美国。
皮卡德认为，目前所谓气候变暖等环境问题的症结，正是源自对化石燃料的依赖，这种依赖造成油价不断上升、环境持续恶化，给民航和汽车等行业带来不利影响，企业由此出现破产重组潮，进而引发失业率攀升等社会问题，从而加剧贫困。两人的终极目标是：“通过努力，最终让人类用最现代化的交通工具摆脱对化石燃料的依赖。”