飞向太空的边缘

唐辉

对于太阳能载人飞机而言，2016年注定是不平凡的一年，在“阳光动力”2号（Solar Impulse II）经过跨年度的长途飞行，花费558小时7分钟，飞越42 438千米航程，于2016年7月23日创造了第一次太阳能载人飞机的世界纪录之后，从另一家近年来积极进行太阳能载人飞机研制工作的瑞士新技术公司——“阳光跃层”（SolarStratos）又传来消息，经过两年的努力工作之后，他们于2016年12月7日正式推出其同名的太阳能载人飞机，准备向平流层发起挑战，成为第一种可以触到太空边缘的太阳能载人飞机。

“阳光跃层”的团队希望日后能以较低成本让游客往返于平流层。

“太阳能狂人”的新挑战

拉斐尔·多米杨，是“阳光跃层”公司的发起人，同时也将是驾机飞向天空边界的飞行员，是一个著名的“太阳能狂人”，1972年1月19日在瑞士的纳沙泰尔出生，在其青少年时代，就已经萌生了“消耗尽可能少的能源旅行于世界各地”的梦想。1998年，多米杨参加了非政府组织“瑞士救援”的创建，为了资助这个关注环境问题的协会，其创始成员们在世界上第一个“太阳能服务器”上托管了该协会的网站，这是他第一次关注到太阳能的应用。而在莫拉特湖参观了为2002年瑞士国家博览会展出的太阳能双体船之后，多米杨产生了一个在太阳能船上环游世界的想法。2005年，多米杨将其筹划已久的计划付诸实施，组建了一个团队来研制他的太阳能船“行星阳光”号（PlanetSolar），并拉到了足夠的赞助。5年之后的2010年9月27日，作为这艘具有537平方米太阳能电池板、前所未有的小船的船长，多米杨与招募的另两位船员开始了环球之旅，并于2012年5月4日回到了起点，成为了世界上第一个乘坐自造的太阳能船只进行环球航行的人。

而正是在驾驶“行星阳光”号横越大西洋的某个夜晚，多米杨仰望漫天繁星，忽然间想到了他将要获取的第二个目标：利用太阳能动力飞上天空，接近太空的边缘，在地平线弧面的背景下观察壮丽的星空！通过太阳能船的环游世界，多米杨已经向世界证明了来自太阳的无穷能量的效力，这是清洁、无污染的可再生能源，人们并非只能使用经过提炼的化石燃料才能获得能源供应，而太阳能载人飞机将会进一步证实他的观点。

“阳光跃层”（SolarStratos）太阳能载人飞机项目于2014年3月正式启动，这个命名不仅仅是“太阳能”和“平流层”的合称，也代表了多米杨正在不断追求太阳能技术开发与应用的提高，以创造一个可持续发展的世界，在他看来，“阳光跃层”是开拓精神、梦想、创新的象征，目的是展示可再生能源及提高其效率的潜力。

“使用创新、探索的精神和梦想，改变我们的社会，来创造一个更美好的世界。”多米杨说道：“今天，冒险和探索并非是为了发现未知的大陆或打破某项纪录，最主要的目的应该是保护地球环境及其生物多样性，以这种方式，我们可以对进步和创新这些术语重新定义，以表达其真正的意义。”

新太阳能飞机“阳光跃层”

自从成立以来，“阳光跃层”公司已经从赞助商手里募集了大约500万美元，用于研制第一架试验飞机。目前，在位于瑞士伊韦尔东勒邦的一个工业区的边缘，这个小团队的冒险家们正在准备飞向太空边缘的任务。如果成功，他们的太阳能飞机飞行高度将高于之前的任何太阳能载人飞机，并表明可再生能源不仅足以匹敌、也可以超过化石燃料的效能。刚完成了环球飞行的“阳光动力”2号及其研制者兼飞行员伯特兰·皮卡德对“阳光跃层”团队也是一个有力的鼓舞——两家公司都位于洛桑附近，研制者都是瑞士人，都相信这些冒险可以激励人们采取行动，以应对全球变暖的气候变化。

试验飞机基于PC Aero单座电动飞机的改装，“阳光跃层”版本将更轻，并在机翼上表面铺设太阳能电池板，更重要的是，它将有两个座位，在未来可以搭载乘客。根据公司提供的数据，“阳光跃层”空重450千克，机长8.5米，翼展24.8米，共铺设有22平方米的太阳能电池板，单螺旋桨，由两台串联布置的19千瓦电动机驱动，另外，为了提供额外的爬升能量，以及用作储备能源，还安装有一个20千瓦时的锂电池。

多米杨声称，飞机改装所使用的技术，都是“可以在超市找到”的成熟货架产品。虽然飞机的大部分零部件都是现成的，但用于平流层这种极限状态时，仍有相当数量的零部件需要从头开发。例如，位于奥地利的电池公司凯莱塞电气正在为“阳光跃层”研究一种实验性的锂离子电池，可在恶劣的平流层条件下安全运行。多米杨表露了他的担心：“如果我们在平流层中有电池的问题，那就完蛋了。”但是，如果任务可以按计划进行，“阳光跃层”将只使用太阳能起飞和降落，锂电池几乎完全充电，仅处于备用状态。

 “阳光跃层”的目标巡航高度为25 000米，为此多米杨邀请俄罗斯“星星”科学生产联合体量身定制了飞行服。图为多米杨在“阳光跃层”号和定制飞行服前接受媒体拍照。

另外一个挑战，是要保持乘客的存活，这可是生死攸关的大事，在25 000米的设计巡航高度，气温降低到了-70℃，气压只有0.019个标准大气压，而飞机本身由于设计原因，没有设置增压座舱，这样，乘客们就得像宇航员一样，穿戴专用的宇航服，以维持适当的气压和温度，宇航服将从飞机获得供电，以维持其正常工作。“阳光跃层”公司已经从俄罗斯获得了帮助，著名的航空航天企业——“星星”科学生产联合体（NPP Zvezda）将为他们专门开发一套特制的轻型宇航服，尽量去除不必要的军工技术要求，以降低重量和成本。第一套宇航服价值约100万美元，将免费捐赠给“阳光跃层”公司。

“阳光跃层”太阳能飞机的巡航高度目标为25 000米，这将在2018年的试飞中达到，预期需要2小时30分钟才能爬升到巡航高度，进行15分钟平飞，收集试验参数之后，再花3个小时回到地面基地。然而，这是未来的远期目标，在近期，飞机将首先进行试飞，经过调试之后，在2017年下半年，向第一个高度目标——由皮卡德和“阳光动力”2号达到9 420米发起冲击。多米杨将独自完成试飞任务，以降低不必要的危险性，为了安全起见，尽管并不算胖，多米杨还要在试飞前再减肥至少10千克，“我们必须小心重量，这是一个很大的、巨大的挑战。” 多米杨为此评论道。

事实上，“阳光跃层”的巡航高度离国际航空联合会规定的太空边界——高度100千米还远得很，但这并不妨碍其宣传“接触太空边缘”，因为传统航空器多在距地面20 000米高度以下活动，民航班机的巡航高度只有9 000米左右，目前国际上将高度20千米到100千米的范围定义为临近空间，只要进入这个范围，就算是“太空边缘”了。作为吸引眼球的噱头，“阳光跃层”的宣传还是很到位的。

与太阳能高空无人机

“太阳神”的对比

从重量上和飞行高度来比较，美国国家航空航天局（NASA）和航空环境公司（Aero Vironment）共同开发的太阳能高空无人机“太阳神”与“阳光跃层”是同一个量级的太阳能飞机，但是其设计方向却明显不同。“太阳神”是传统的低速、低翼载荷、高升阻比太阳能无人机，翼展高达75.3米，机翼弦长2.44米，翼面积达183.57平方米，空重599千克，任务载荷100磅（约45.4千克）时，巡航高度可达10万英尺（约30 480米），任务载荷600磅（约272.2千克）时，巡航高度为7万英尺（约21 336米），推进系统为14台电动机，单台功率1.47千瓦。

而“阳光跃层”则是脱胎于电动滑翔机，翼载荷较高，电动机的总功率也较大，这使得“阳光跃层”具有更高的速度以及较好的抗气流干扰能力，这对于没有配备飞行员降落伞的“阳光跃层”是至关重要的，因为在穿越对流层（约12千米以下）时，一旦遭遇外界突风、大气湍流等意外情况时，低翼载荷、高升阻比会导致气动力太大，甚至超过机体材料的结构强度，这也是“太阳神”无人机在2003年6月空中解体的重要原因。

“阳光跃层”的螺旋桨设计也明显不同于“太阳神”。在平流层中，由于空气密度显著下降，螺旋桨需要更大的直径和桨距，才能产生足够的推力，而由于高空声速下降，大直径的螺旋桨桨尖容易产生激波，导致推进效率下降，这是两难的设计要求。目前看来，“阳光跃层”的螺旋桨放弃了大直径设计，这样就需要较高的转速，其三叶桨的桨叶形状明显不同于普通螺旋桨，桨叶弦长较大的部位更加接近桨毂，至桨尖收缩为尖细的竹叶状，可以在一定程度上降低桨尖激波的影响，使得螺旋桨在各个运行高度都有較高的推力和推进效率。

“阳光跃层”能成功吗？

虽然“阳光跃层”的项目仍在稳步推进中，但仍然有许多未知数等待解答。首当其冲的就是后续的费用问题，估计需要再募集500万美元，才能完成接下来的测试工作。另外，太阳能电池板和锂电池会不会出问题，飞机是否可以顺利往返平流层，都是将来需要面对的问题。

事实上，虽然飞机还没有上天，多米杨已经开始谋划未来的商业化运营，将“阳光跃层”公司转变为专业的太阳能飞机制造商，既可以生产载人飞机，也可以生产无人飞机，并进一步推出太阳能平流层旅游业务。“我们的飞机将是商业舞台之前的第一步，”他解释说。计划是设计生产一种带增压座舱的三人太阳能飞机，到2021年开始运营搭载付费客户的商业航班。

“阳光跃层”的未来商业竞争路途上不会孤单，目前已有Zero2Infinity，Space Vision和WorldView等多家公司正在设计同样用于平流层观光的气球项目，预计搭载价格在7.5万到12万美元之间。对此多米杨宣布：“目标是比气球便宜。”公司目前已经提供搭载太阳能飞机飞进平流层边缘的机会，只需要愿意支付6万美元，对客户具有明显的吸引力。

但是，与未来的钱途相比，多米杨更加希望，通过这种使用太阳能将人带到太空边缘的服务，会使更多的人认可太阳能和可再生能源，成为促进清洁能源进一步发展的重要推动力。“这可能是一个让人类改变的巨大机会，以使用那些我们从天空中免费获得的能源。”

责任编辑：王鑫邦