阳光动力飞机完成逐梦环球之旅

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20168月,阳光动力团队终于成功完成举世瞩目的无燃料环球飞行。

截止到2016年7月26日,阳光动力2号飞机降落在最初的出发地阿布扎比,此次从2015年3月9日开始的飞行,历经了17个航段、共4.3万公里的环球飞行之旅。

事实上,虽然从1980 年起,就已经有过试飞成功的太阳能飞机,也有很多科学家在理论上认可昼夜飞行的可行性,但是现实中,陆续出现的太阳能飞机依然都只能在白天飞行。因此此次阳光动力2号,是人类历史上首架无需任何燃料可昼夜飞行的太阳能飞机。

与我们惯常看到的作为交通工具的“飞机”不同,为了节省能源,实现昼夜飞行,阳光动力2号虽然体型庞大但重量极轻——它的翼展超过波音747,有72 米,但重量仅为2300 公斤(也就是一辆SUV 的重量), 只可搭载一名飞行员,在最高9500 米的位置,以80 公里每小时的平均速度不停歇地飞行120 小时——相对传统意义上作为交通工具的飞机,阳光动力2号显得更加“悠闲”,驾驶它或许更像是在自驾旅行。但是重点是,你不需要消耗一滴燃油。

“阳光动力计划”的最初灵感来自Bertrand Piccard 的前一次冒险。

Bertrand Piccard,一位生于瑞士洛桑的精神科医师、冒险家和热气球运动员就出生在一个充满探险精神的家族。他的祖父Auguste Piccard,一位真正的科学家和探险家,在1931 年设计了一款带有密闭加压驾驶舱的热气球,成为第一个到达平流层看到地球曲率的第一人。他的父亲Jacques Piccard 是一位海洋学家,因为下潜到地球海洋最深处(太平洋马里亚纳海沟海床)10916 米被载入史册,而且他也是第一艘观光潜艇的发明者。

1999 年,Bertrand Piccard 在结束了20 天的人类首次无间断热气球环球飞行后,决定要设计一架不使用任何燃料的全天阳能飞机。“最初开始时,我们的热气球载有3.7 吨液态丙烷,在20 天后着陆时,只剩下40 公斤。整个过程中我都一直担心燃料会耗尽,所以我告诉自己,下次环球飞行我绝不携带任何燃料。”Bertrand Piccard后来说。

“环球”、“飞行”和“零燃料”,是“阳光动力计划”的关键词,也是阳光动力2号太阳能飞机必须达到的技术性能指标。

虽然不能说这样的构想是异想天开,但是由于之前众多的科学家和研究者都没有过成功先例,所以要实现这样的想法,需要解决的就不仅仅是对能源利用的难题,还需要面临随时可能出现的未知的技术障碍。因此,说这是一次对科学技术的探险并不过分

与Bertrand Piccard 来自实践的飞行经验相比,阳光动力2号的另一位重要参与者Andre Borschberg,是瑞士空军飞行员“科班出身”,这也使得其对飞行和飞行器的理解更加严谨。这位创造并保持了8 项国际航空协会公证的世界纪录、将特技飞行作为个人业余爱好的职业飞行家,对阳光动力计划的考虑更多集中在对其可行性的科学论证上。最终,他还是被阳光动力计划本身无穷的创新性吸引,成为该计划的发起人之一,并利用其专业知识,主导了计划的可行性研究。

2003 年底,阳光动力计划正式启动。在随后的12 年中,相继有具有各种专业的80 位专家,100 位专家顾问和90 位合作伙伴和赞助商参与其中,总预算高达1.15 亿欧元。

“通常,如果要制造一架新飞机,就得使用现有的引擎;而如果想要测试新引擎,那就得使用现有的飞机。但阳光动力计划要设计的飞机,所有东西都是前所未有的:推进器是新的,能源是新的,结构也是新的……其复杂程度难以想象。”Bertrand Piccard接受采访时说。阳光动力计划就是要重新设计一架前所未有的全新飞机。

回到太阳能飞机本身,这是阳光动力2号设计研发的基准点。由于要实现昼夜不间断飞行,因此阳光动力2号太阳能飞机不仅需要收集太阳能,还必须能够存储部分太阳能,以备在夜晚试用。所以,阳光动力2号需要装备大量高效的由光伏电池制造的太阳能电池板,以收集太阳的射线转换为电力:一方面为飞机的发动机供电,另一方面也可以给飞机的电池充电。

这也就决定了阳光动力2号的结构必然异于常见的飞机:在保证飞机足够轻巧的同时,还必须保证飞机足够大,因为机翼作为是太阳能飞机太阳能电池板的所在地,需要足够大才能携带足够多的电池来尽可能地捕获更多的太阳射线和存储所需的太阳能。同时,为了实现真正意义上的飞行,阳光动力2号也必须尽可能符合空气动力学原理,足够稳健,以便能耐受恶劣的天气。

由于是从头开始设计一架完全不同的飞机,因此几乎没有任何现成的零部件可以采购,甚至没有现成的经验。一架普通的飞机所涉及到的零部件即多达 20 万 至 300 万个,因此仅从设计研发的具体工作来讲,阳光动力2号的研发绝对不仅仅是设计的问题,而且还涉及到对数以万计的零部件的管理,以及一个完整的针对产品数据的仿真验证、制造和装配的业务流程。

在阳光动力计划一开始, 达索系统的3DEXPERIENCE 平台就成为其产品研发的核心系统。

“3DEXPERIENCE 平台的设计和仿真应用对我们的帮助非常大,让我们无需构建过于昂贵且耗时太长的物理原型就能完成飞机的设计。”Bertrand Piccard 认为,仅仅依靠3D 数字化软件而不构建实体模型,“这确实有点疯狂,但我们对这些技术充满信心。”

事实上, 选择3DEXPERIENCE平台作为产品研发的工具的确保障了阳光动力项目的有序推进。

在设计环节,3DEXPERIENCE平台的 CATIA 系统用来完成阳光动力2号完整的3D 数字模型,包括驾驶舱的位置、空气动力学规范,甚至最小的螺栓。同时,为了能够对太阳能电池板和轻型复合材料结构的不同组合进行各种设计配置的测试,阳光动力2号的工程师也使用CATIA 来定义太阳能电池的最佳配置,以便在降低飞机重量和尽量更大的机翼之间,做出最优化的选择。

此外,3DEXPERIENCE 平台的ENOVIA SmarTeam 也提供足够的支持,使得设计团队的科学家可以最大程度地有效管理该项目所需的大量零部件数据。

花费了众多顶尖科学家无数的心血,六年后,2009 年,第一架太阳能飞机阳光动力1号诞生。2010 年4 月7 日,在瑞士的帕耶讷机场,阳光动力1号进行了首次试飞,持续了87 分钟。此后,在飞行了500 小时后,2013 年5 月~ 7 月,阳光动力1号在美国完成了一次对美洲大陆的横穿飞行:从西向东,分六个阶段从旧金山飞到纽约。

此后,为了做一次真正的环球飞行,阳光动力计划又开始对阳光动力1号进行升级。2014 年,“升级版”阳光动力2号问世。

虽然体型超越了上一代,但是阳光动力2号与其前一代的太阳能飞机的结构是相似的,升级更多体现在技术上:为了让飞机最大程度地节约能源并依靠电池供电在夜间飞行,阳光动力2号使用了超轻的材料——重量为每平方米25 克的碳纤维(比纸轻3 倍),蜂巢形式的多孔泡沫,用在飞机的整个架构中,机身(飞机的主体),驾驶舱和加强杆(代表机翼中心线的中央横梁)。

机翼的结构上,工程师以50 厘米的间隔放置了144 条翼肋,机翼的上表面由太阳能电池板组成,这里安装了270 平方米的太阳能电池板——17248 个太阳能电池,每天最多可以吸收340 千瓦的太阳能,每个电池的厚度仅为135 微米,比人的头发丝还细。

为了最大程度地减轻飞机重量,他们不是将电池安装到机翼上,而且直接用电池本身组成机翼结构,就像是一件“太阳能皮肤”一样。

在机翼下表面,阳光动力工程师设计出4 个模塑成型碳纤维吊舱,每个吊舱都包含电机、锂聚合物电池和螺旋桨。每个电机的动力为17.4 马力,锂聚合物电池安装在4 个吊舱或外壳中,通过高密度泡沫进行隔离。电池总重量为633 公斤,略超过飞机总重量的1/4。4 个螺旋桨每个直径4 米,通过电池中存储的能源,可实现昼夜飞行的动力。

除此之外,为了适应长时间飞行,阳光动力2号 也考虑了驾驶员的舒适性:驾驶舱增加到3.8 立方米——虽然这依然是一个相对非常狭小的空间,但是,这里也为飞行员提供了自给自足生存一周所有需要的一切。多功能座椅可以通过调节,实现躺靠的最佳位置,还有可以充气的衬垫,一切都像是在家里一样舒适——它能立刻转换成床,甚至厕所。另外,安装在两侧机翼上的16 盏着陆灯(发光二极管,LED 灯)可以在夜间照亮跑道,以适应夜晚飞行和着陆的安全性要求。

2015 年3 月9 日,阳光动力2号的环球飞行之旅展开。当时预计这次环球飞行将飞行35000 公里,500 小时,由Bertrand Piccard 和Andre Borschberg 轮流驾驶来完成,将会飞越太平洋和大西洋两大洋,穿越阿拉伯海、印度、缅甸、中国、太平洋、美国、大西洋、南欧和北非。

曾经在到达南京接受记者现场提问时,Bertrand Piccard曾经说到:对于我和Andre Borschberg 来讲, 支持我们来做阳光动力2号项目的最大动力,就是对未来总是充满了无限的冲动。当然,我们在这些旅程当中收获了无数难忘的瞬间。我们最难忘记的,是阳光动力2号每到一地,就会给那里的年轻人和孩子带去对科技的热情,对环保的深入认识,以及对冒险的全新理解,这也是阳光动力2号坚持要做环球飞行非常重要的原因。

如今,阳光动力2号终于完成了自己的环球旅行,达索系统副董事长兼CEO Bernard Charlès感慨道:“看到历经12年的设计项目和协作努力大功告成,这架许多人曾认为无法造出也无法起飞的飞机成为现实,这种感受无与伦比。祝贺飞行员André Borschberg和Bertrand Piccard以及整个阳光动力团队成就这一丰碑,他们敢于梦想,勇于探索航空领域的极限,沿着先驱们的创新精神前行,这不光是航空领域的壮举,也展示出了地球未来可持续发展的希望,正是创新的激情把不可能变成了可能。”

的确,与常规认识的交通工具相比,即便成功如阳光动力2号,太阳能飞机依然对环境有极大的依赖,其要真正为更广大的人群提供便利,还需要解决诸多的技术难题,有很长的路要走——但是无疑,阳光动力2号正在努力缩短这个过程。

从更广泛的意义上讲,阳光动力2号很大程度上实际并非是对具体技术和应用的推进,而是在推动一种思维方式,一种基于现有技术勇于想象,并积极投入将想象变为现实的创新态度。对于正在努力定位自身价值、寻找个人存在于意义的人来讲,阳光动力2号都是一个非常有说服力的热血传奇。