将环游世界的太阳能飞机

2012年7月5日，安德烈·博施贝格的手机铃声将他从瑞士洛桑东北部一个军用机场的会议中惊醒。消息并不好。这位前瑞士空军飞行员急忙登上他的直升机，沿着熟悉的45分钟路线飞往苏黎世附近的杜本多夫。

在停机坪着陆后，他冲进巨大的机库，推开蓝色的门，发现他最新工程项目的一件关键部件已经粉碎：这是一架旨在环绕地球飞行的太阳能飞机的236英尺长碳纤维机翼的一部分。一个由40名工程师组成的团队花了九个月时间设计了这片机翼，又花了九个月时间制造，并花了过去四周时间进行测试。在最后一轮测试中，团队在机翼——称为翼梁——的龙骨上悬挂了一个精密的木制框架和最多6吨的铅块，以模拟飞机在强烈颠簸中可能承受的应力。由于设计错误，翼梁发生了弯曲。

这架名为“太阳冲动2”号（第一架“太阳冲动”号是原型机）的飞机，耗资10年和约1.5亿美元。明年，博施贝格和项目合作伙伴伯特兰·皮卡德计划在三到四个月的时间里，分四到五天的短途飞行，驾驶飞机环游世界。但这只是假设飞机届时已经准备就绪。

博施贝格说，看到损坏的机翼感觉“像胃部受到重击”。但他没有动摇，他不是那种会因失望而放慢脚步的人。很快，他将把生命托付给这架未来派的飞行器。随着2015年起飞日期的临近，“太阳冲动”号的工程师们重回设计图纸，最终确定了一个增加了一点重量的设计，以获得能够应对挑战的机翼。

即使在解决翼梁问题的同时，团队还有很多其他事情要做——成吨的细节，大大小小，所有这些都对项目的成功至关重要。2013年2月一个寒冷的早晨，在杜本多夫的工作坊里，工人们正在为机身进行载荷测试——这是去年夏天摧毁了翼梁的同一种测试。“这是最后的、最重要的测试，我告诉你，我们都汗流浃背，”博施贝格说。但该部件通过了测试，让飞行员离他们的史诗般的飞行又近了一步。

雄心勃勃

“太阳冲动”号是博施贝格的项目合作伙伴、瑞士精神病学家伯特兰·皮卡德的创意。皮卡德是一位身材矮小、56岁的冒险家，他以完成大胆的长途旅行而闻名。1999年，皮卡德和一名副驾驶完成了人类历史上第一次不间断环球热气球飞行。他们从瑞士阿尔卑斯山出发，携带28罐丙烷；近20天后，当他们降落在埃及中部时，只剩下不到四分之一的丙烷。

皮卡德回忆道：“在飞行结束前，我们一直担心燃料不够。”他想，下次，是不是可以不用一直盯着油表就能环游世界呢？

这并非无足轻重的问题。皮卡德对关于环境状况的令人沮丧的讨论感到厌倦，他想改变人们的看法，认为可持续的生活方式意味着使用丑陋的灯泡和放弃产生污染的旅行。他锐利的蓝眼睛聚焦于一个既高效又令人兴奋的高科技未来。这个愿景最终体现在一架只能依靠太阳能飞行的飞机上。

2003年，皮卡德向洛桑瑞士联邦理工学院寻求建议。他需要一个了解飞行技术极限——并且愿意挑战极限——的合作伙伴。该学院工程学院的院长知道谁最适合领导皮卡德那个“异想天开”的项目：安德烈·博施贝格，一位拥有工商管理学位和风险创业记录的机械工程师。“这有点疯狂，”博施贝格回想起最初的提议时说。“但我喜欢那些你不知道如何到达目标的情况。”而这个目标确实很宏伟：设计一架足够轻以便仅靠太阳能驱动，但又足够坚固以搭载飞行员、供给品和存储能量以在夜间飞行的电池的飞机。

皮卡德习惯于人们称他的项目为疯狂，但他认为现状更疯狂。“真正疯狂的是每小时继续燃烧100万吨[化石燃料]，并认为我们可以因此拥有美好的未来，”他说。“乘坐太阳能飞机飞行就没那么疯狂了。”

血脉相传

伯特兰·皮卡德挑战极限的倾向源于他的家族。他的祖父奥古斯特·皮卡德设计了一个加压铝制吊舱，在1931年首次驾驶热气球（右）进入平流层。1960年，奥古斯特的儿子雅克·皮卡德驾驶一个加压钢球——名为深海潜水器——潜入了世界最深的海洋，马里亚纳海沟底部。

依靠机翼和光子

第一架“太阳冲动”号飞机（代号HB-SIA）于2010年由一名专业试飞员驾驶升空。当年7月，博施贝格从瑞士一个机场起飞，飞行了26小时，成为第一位太阳能夜间飞行员，并创造了太阳能飞机的飞行高度纪录（超过30,000英尺）。在接下来的两年里，他和皮卡德驾驶这架飞机进行了几次短途飞行。在一次飞往摩洛哥的航班上，面对强劲的逆风，皮卡德曾感觉飞机在后退：虽然仍然向西飞行，但他却在向东漂移。“当你面对风，然后突然看到GPS图像转了180度，那真的很有趣，”他说。

在原型机的最后一次飞行中，博施贝格和皮卡德轮流驾驶，完成了横跨美国的五段旅程，于2013年5月从加州圣何塞附近的莫菲特机场起飞。在经历了一次惊险时刻——机翼底部的一块薄膜撕裂——后，飞机于7月成功降落在纽约，标志着其飞行生涯的结束。从那时起，团队开始专注于对其继任者“太阳冲动2”号（又名HB-SIB）进行必要的改进，自原型机进行首次试飞以来，他们一直在设计这款飞机。

新飞机进行了一些改变：“太阳冲动2”号的翼展比其前身长约15%，以支撑几天飞行所需的更大载荷。而原型机的机身是矩形的，但“太阳冲动2”号的机身是三角形的，这一改变减轻了一些重量。它的驾驶舱也比原型机更大，因为飞行员将在那里度过更多时间。飞机还将携带更多备用系统，因为技术人员将无法像以前那样频繁地对其进行维修。它的电路将是防漏的，允许飞机在小雨中飞行，这是其前身所不具备的功能。

体型塑造者

在设计他们的太阳能飞机时，皮卡德、博施贝格和他们的团队面临着结构上的挑战。飞机的框架需要足够坚固，能够承载一名人类飞行员、几天的物资和四个沉重的电池，但又足够轻，以便仅靠安装在其机翼、机身和水平尾翼上的17,000个太阳能电池（每个都像人类头发一样薄）吸收的太阳能来飞行。

一家又一家飞机制造商拒绝了博施贝格的建机邀请，声称他设想的框架不可能建造，因为太轻了。就连滑翔机制造商也无法完成。于是博施贝格改变了策略，联系了他在瑞士一家公司Décision SA的朋友，该公司制造超坚固轻质的碳纤维帆船，包括最近赢得美洲杯的帆船。

博施贝格说，Décision的建造者们“对航空一窍不通”，但他们了解他们的材料。由于“太阳冲动”号需要在空气中而非水中漂浮，飞机的机身、驾驶舱和机翼需要一种比Décision以前使用过的任何材料都轻的复合材料。太阳冲动团队还通过消除一切可能的材料来减轻重量，包括将飞机的大部分结构制成中空，就像鸟的骨骼一样。机身是由碳复合管组成的格架，排列得像老式的铁路桥。

飞机三段式的机翼梁和其他一些部件由碳纤维带制成，每平方英尺的重量不到零点一盎司——只有一张纸的三分之一。（这种胶带非常薄，在组装某些部件时，人手的触摸就会损坏它。）为了生产这种胶带，一个机器人创建了多层碳纤维，精确控制每根微纤维的位置，以便部件能够承受载荷并抵御空气动力学力的作用。为了建造机翼梁和其他一些部件，Décision的建造者们将碳纤维片层叠在一个纸板蜂窝结构周围，赋予部件强度和柔韧性。这些部件在卡车载式烤箱中烘烤至结构完美，然后进行组装。

飞行中

博施贝格和皮卡德将驾驶环游世界的飞机——“太阳冲动2”号——看起来像一只珍珠色的蜻蜓，其狭窄的楔形机身平衡着一根异常长的机翼。这架飞机将像一个高级滑翔机一样运行。白天，它将爬升到27,000英尺，从太阳汲取能量，并将部分能量储存在超高效的定制锂离子电池中。晚上，它将缓慢下降到3,000英尺的高度，尽量少地消耗电池储备中的能量。

高能耗

每天晚上，当“太阳冲动2”号的能源在地平线下沉后，飞机将依靠四个电池在夜间飞行。当皮卡德和博施贝格在2004年开始研究“太阳冲动”号时，当时最好的锂离子电池效率约为180瓦时/千克——不足以支撑到天亮。比利时化学公司索尔维加入了进来，设计了更好的电池。

在锂离子电池中，带正电的锂离子向电池的负极移动以产生电流。粘合剂将电极的化学元素结合在一起。除了其他改进之外，索尔维的化学家们能够将他们的一种聚合物变成更有效的粘合剂，这意味着所需的粘合剂减少了。这一措施减轻了重量，并为电极内部腾出了更多空间来产生电力。化学家们还添加了一种溶剂，以延长每块电池的寿命并使其能够充电更多次。该团队最终实现了260瓦时/千克的效率——足以支撑夜间飞行。

只是热身

“太阳冲动2”号的电池将在白天持续充电，保持温度。但在夜间，电池的能量将用于维持飞机飞行。在距离地面数千英尺的高空，当太阳面向地球的另一侧时，飞机周围呼啸的空气温度可能低至零下58华氏度。如此寒冷的温度将阻止任何电池的化学反应，除非它被良好的隔热材料包围。

为了满足这一非同寻常的需求，位于德国勒沃库森的拜耳材料科学公司的研究人员增强了该公司聚氨酯泡沫保温材料的绝缘性能。这种材料以轻质、黄油色的块状形式从拜耳的生产线上滚落，有些块状大小相当于沙发。冷却后，泡沫被切割成形，以适应电池组和驾驶舱。将泡沫的细胞尺寸减小40%，使得新泡沫的隔热效率比传统隔热材料高20%，这意味着驾驶舱内的温度不应低于零度——对于锂离子电池来说足够舒适，而对于强壮的飞行员来说也勉强可以承受。

无形的影响

“太阳冲动”号的技术成就令人兴奋，但其速度和载重能力的限制，以及对风和天气条件的敏感性，意味着我们近期内可能看不到太阳能载客飞机，即便是有。

不过，这并不是项目的目标。博施贝格和皮卡德表示，目标是展示可持续性可以多么令人兴奋——以及它如何能无缝地融入我们的日常生活。事实上，“太阳冲动”号的一些技术已经进入了消费品市场。例如，冰箱制造商就采用了该项目的改进隔热技术，而世界各地的电子产品制造商也采用了“太阳冲动”号锂离子电池中的化学创新。如果你拥有智能手机、平板电脑或电动汽车，那么你所使用的电池中的一些化学成分很可能就是“太阳冲动”项目的结果。

保持活力

驾驶“太阳冲动2”号进行环球飞行的工程挑战超出了飞机本身。每位飞行员将在飞机上独自度过连续数天——这意味着他的身心也必须做好准备。

为了应对极端温度，飞行员的服装由“智能”尼龙纤维制成，可以将红外热量导向寒冷皮肤的表面，并在阳光直射使驾驶舱变成烤箱时使飞行员保持凉爽。博施贝格和皮卡德的飞行服袖子上嵌入了为太阳能飞行专门设计的仪器。例如，如果飞机开始向左倾斜得太厉害，飞行员的左袖子就会振动以提醒他。

即使是八小时的飞行也可能导致危及生命的血栓；五天不动可能会致命。“太阳冲动”号的工程师们对典型的背包式降落伞进行了改进，使其不那么显眼，让飞行员可以通过进行瑜伽和普拉提的改良动作来保持血液循环。而锻炼并不是“太阳冲动”号工程师考虑到的唯一关键功能。另一项便利设施：马桶集成在飞行员的座椅中。

当飞行平稳时，飞机的自动驾驶仪将保持飞行，让飞行员能够进行20分钟的小睡（皮卡德通过自我暗示，博施贝格通过冥想和呼吸技巧）。

为了在环球旅途中减轻重量，皮卡德和博施贝格将食用脱水和真空包装的餐食，这些餐食经过精确计算，热量密度高、营养丰富，并且符合每位飞行员的口味。（皮卡德开玩笑说，新鲜蔬菜要在地面上享用。）

[本文最初以“光产生飞行”为题刊登在印刷版上。]