载人太阳能飞机创新了什么
3月9日清晨6时30分,阿布扎比玫瑰红色的晨曦还显得有些灰蒙蒙。地面团队按计划,把即将首次载人环球飞行的太阳能飞机推入跑道,好让飞行员在沙漠里的热空气起来前,把飞机飞上天。
否则,热浪造成的不稳定气流,会给飞机带来安全风险。
就在此时,警报器声突然大作。机械师立刻上机排查所有可能的故障隐患。而位于摩纳哥的控制中心里,电子工程师们则是根据卫星传回来的实时数据,进行安全评估。等机械师将机载电子设备关闭并重启后,警报随即消除。又过了漫长的20分钟,安全委员会最终点头放行。
坐在控制中心的摩纳哥大公阿尔贝二世对着话筒说:“你放心飞吧,我们等你回来。”
虽然起飞比原计划晚了40分钟,但飞机依然安全地经过短暂的滑行,像蜻蜓一般缓慢飞入空中。预计,它可以赶在印度洋和中国南部的季风来到前,飞入太平洋。
这是一架由一家瑞士创新团队制造出来的、完全由太阳能驱动的载人飞机,名为太阳动力2号(Solar Impulse 2)。3月9日起,它将在4个月到5个月内实际飞行25天,完成它的首次环球飞行。它从阿布扎比起飞,途经印度、缅甸、中国的重庆和南京、美国、欧洲或北非(目前未定),最后再回到阿布扎比。 挑战极限
用太阳能飞机进行环球飞行的想法,最早来自瑞士探险家皮卡尔(Bertrand Piccard)。那还是1999年,他刚刚驾驶热气球,完成了不间断的环球旅行。他曾经去敲飞机制造商的门,但是碰了一鼻子灰。从此,皮卡尔决定自己组建团队、拉赞助,独立完成这个宏愿。
从2003年与瑞士的洛桑高等理工学院达成合作,进行可行性研究开始;一直到2009年造出原型机并进行试飞;再到曾在瑞士空军服役的商人兼工程师――博尔施贝格(André Borschberg)的强力加盟;如今,这个项目已经得到ABB集团、索尔维集团(Solvay)、迅达集团(Schindler)、拜耳材料科学公司等80多家公司的资金和技术支持,成为吃“百家饭”长大的孩子。
太阳动力2号的翼展宽达72米,比波音747-8I的68.5米还宽,仅次于空客A380的79.8米。但它的总重量只有2.3吨,相当于一辆家用汽车,比起440吨的波音747-8I和560吨的空♡客A380,可谓轻如鸿毛。
出于飞行安全考虑,ABB集团集成传感器研究组的马林科维克博士(Stevan Marinkovic)还给驾驶舱设计了辅助电源系统,从而保障一旦主电路出现故障,蓄电池可以给包括导航系统在内的电子设备进行供电。这套系统是基于对电路断路器的监控与分析,该技术原本被ABB用于发电厂与大电网之间的断路设计。
为了让整体重量尽可能地轻,飞机的驾驶舱中只能容下一名飞行员,传统民航飞行中副驾驶员的工作则由控制中心完成。
飞行中的所有数据包括气象数据都将传输到位于摩纳哥的控制中心,在这里,有着40年民航飞机驾龄的总控制师科莱克(Raymond Clerc)会综合空中飞行管制员、气象学家、数学算法工程师,以及机械电子工程师的所有情报,然后通过通讯员给飞行员提供信息。
尽管如此,这架太阳能飞机依然十分脆弱。它的轻盈也给它的机动性带来障碍。科莱克告诉《财经》记者:“由于重量不够,它在转弯时不能像普通民航飞机那样可以达到30度的倾角,而是只能用2度至3度的倾角进行转弯,因此极为缓慢。一旦超过5度,警报系统就会立刻给飞行员发出警报。”更不要说遇到乱流等复杂天气情况,需要飞行员保持时刻警惕。
因此,虽然在设计上,只要把座椅放平,飞行员就可以半曲体卧睡,但是考虑到人体在睡眠25分钟后,会进入深度睡眠,所以,飞行员胳膊上的振动报警器会在他睡20分钟后,把他叫醒。这便给飞行员的生理与心理带来很大的挑战,因为他从南京飞到夏威夷的这一段航程,需要独自飞行5个昼夜。
“不论中间发生什么,我们只能一鼓作气飞越太平洋。”科莱克对《财经》记者说:“一旦掉头,西风还是会把我们吹回去。”
然而,在陆地上的起降也绝非易事,它需要跟民航飞机的起降错开。由于太阳能飞机比普通飞机的航速低、性能差,因此在提升和下降的时候,也都只能缓慢进行。负责中国境内的飞行管制协调员耿秀林告诉《财经》记者:“选择经停重庆和南京的一个重要原因,在于它们都是双跑道机场。”尽管耿秀林曾多次驾驶通用飞机,飞过这条航线以及航线上的起降点,但是他在飞机起飞前十天就抵达摩纳哥,以便更好地了解飞机和团队。 “空中实验室”
“我和皮卡尔还是孩子的时候,我们的父亲就相互认识。”等飞机成功起飞,摩纳哥大公终于长舒一口气,对着镜头说起轻松的话。
这♒些年来,皮卡尔和博尔施贝格动用自己的私人关系,拉到18位像摩纳哥大公这样,富有激情的赞助人,其中包括维珍航空的创始人――布兰森爵士(Sir Richard Branson)。除此之外,还有一票科技型公司成为他们的合作伙伴,为其提供资金和技术。
“最早是2003年12月,皮卡尔在我们的一个内部活动上,做了一个演讲。”比利时化学企业索尔维集团(Solvay)负责太阳动力号项目的总监迈克尔(Claude Michel)对《财经》记者说:“我们觉得,这跟集团的‘能源采集与储存’以及‘轻型材料’这两大战略高度吻合。”
正是基于这种合作机制,太阳动力号像大量科技型初创企业一样,成为实验室研发和新产品市场之间,不可缺少的一环,从而打破传统产业链在新技术应用上难以消除的惰性。
“如果要把一个轻型材料用在车企的产品线上,研发、模拟、测试,来来回回要花上好几年。”拜耳材料科学公司负责太阳动力号项目的研发总监霍斯博士(Bernd Rothe)对《财经》记者说:“但是,这架飞机则不同,它能够带来很快的反馈。通过它,我们可以让大家知道,拜耳的材料都能达到什么品质。”
作为PU材料(聚氨脂)和PC材料(聚碳酸酯)这两大基本化学材料的发明者,拜耳从2010年开始成为太阳动力号的合作伙伴。它把自己硬性泡沫的PU材料用作驾驶舱的隔热材料,透明的PC材料用于制造驾驶舱的窗户。
由于飞机将在零下40摄氏度和40摄氏度的环境中,交替飞行,因此,拜耳的一项重要任务,就是提高驾驶舱的隔热性,同时还要让材料更轻。在泡沫材料中,空气提供了隔热的效果,拜耳的目标则是把气孔做得更小。
“这个飞机就像✍是一个材料界的奥林匹克。”霍斯博士对《财经》记者说。从2010年至今,拜耳从化学到装备制造等领域,为这个飞机成立了15个项目组,进行研发。例如,两个项目组分别针对PU材料里降低密度、提高绝缘性这两个性质进行研发。
有趣的是,由于拜耳专注于PU材料及其工艺研究,而索尔维擅长于添加剂制作,因此,两家公司在新材料的研发中亦达成合作,最终使得气孔比早前产品缩小40%,隔热性提高10%。
然而,并不是所有的研发都会被太阳动力号采纳。原本,拜耳的一个项目是研发特殊的黏合剂,用来把太阳能电池黏合在机翼上。研发团队做出来的黏合剂可以达到40g/m2的轻量,并且可以适合大规ล模工业化生产,但是,考虑到其他团队能够在非工业级做到38g/m2ม,最终拜耳的产品被淘汰了。如此下来,15个项目,最终只有5个项目被运用在这架飞机上。
在研发过程中,研究员虽然在工作性质上参与到阳光动力号,但是他们仍然归属于原先的工作团队,因此通过研究汇报机制,依然可以让研发及时转入产品开发。如今,拜耳也为这种新型PU材料申请了专利,并进入市场拓展期。
这种开放式的创新机制,让合作企业之间得以进行跨行业的技术交流,这对于传统产业的企业发展来说至关重要。“电梯行业已经从机械时代跨入数据驱动的时代,我们在合作中相互取长补短。”迅达集团驻阳光动力号的工程师普菲斯特(Martin Pfister)告诉《财经》记者。
相较于当前流行的通航飞机和民航飞机,太阳能飞机依然面对成本高、载重小、航速低、性能差等问题。因此,这个创新团队目前尚未有商业化制造太阳能飞机的计划。他们的目的,是通过夺目的环球飞行,传递出清洁能源的理念,让空中能够实现的技术,同样在地面实现。