不用能源的飞行飞行(Flight)之梦

 


不用能源的飞行飞行(Flight)之梦

全由太阳能推动,透过太阳能电池产生约九千瓦特的电能起飞。

一九○三年一个迎风的海滨,莱特兄弟驾驶了人类第一架动力飞行器完成了处女航,这是一个短距离颠簸绷跳写下的历史。一个多世纪之后,另一架单座飞行器「太阳动力」 (Solar Impulse)也正準备开始它创纪录的航程,计画环绕世界一周。

「太阳动力」任一边的机翼,比莱特(Orville Wright)当年首次飞行的距离都要长,但它真正令人注目的不是长达八十公尺的翼展,令人惊豔的是它的动力来源、以及低耗能性。「太阳动力」全由太阳能推动,透过太阳能电池产生约九千瓦特的电能起飞,这只约略相当于当年单引擎莱特飞行器所产生的能量。

从前人们毫不相信莱特兄弟的「机器」能够起飞,更不相信能够航行,因此飞行器被戏称为「比空气重的机器」,晚近太阳能飞行的发展也激起了类似的怀疑。(参看《太阳能飞行史》)

太阳能飞机多半飞得不快,其结构骨架也易受天候影响,这和我们对现代航空飞行的印象相去甚远。而计画驾驶「太阳动力」环球飞行的飞行员,更得做好準备,每次得在空中待上五天,还要挑战在没有阳光的暗夜中飞行。

计画耗资九千一百万美元的「太阳动力」计画源于瑞士飞行家皮卡特(Bertrand Piccard)的梦想,皮卡特曾于一九九九年驾驶热气球「勃特灵卫星三号」(Breitling Orbiter 3)创下连续二十天飞行环绕世界的纪录。计画亲自驾驶「太阳动力」的皮卡特来自一个爱冒险的家族,祖父奥古斯特(Auguste Piccard)在一九三一年驾驶热气球升空,创下离地二十三公里的纪录,而父亲雅各(Jacques Piccard)也不遑多让,曾乘坐潜水艇潜至地球海洋最深处,马里亚纳海沟(Mariana Trench)的最低点挑战者深沟(Challenger Deep)。

不用能源的飞行飞行(Flight)之梦

瑞士飞行家皮卡特(Bertrand Piccard)曾于一九九九年驾驶热气球「勃特灵卫星三号」(Breitling Orbiter 3)创下连续二十天飞行环绕世界的纪录。

皮卡特回忆初想起这个计画,是他结束环绕世界飞行步出热气球之时。他说:「媒体认为一九九九年我的热气球环绕世界,已是人类最后的冒险了,当时我四十一岁,心想,要是真如他们所说,已经没有什幺冒险可做,那可真令人遗憾。」

「如果有载具能不耗燃料而日夜飞行,航程也没有限制,那就太棒啦!」—–皮卡特

同时,他也对驾热气球环绕世界时耗去的大量燃料感到不满,起飞时他们携带了近四吨的液态丙烷,到落地时却只剩四十公斤。飞行当中燃料一直很吃紧,要是当时大西洋上空风力不够,他们很可能就得迫降而功败垂成。皮卡特说,「如果有载具能不耗燃料而日夜飞行,航程也没有限制,那就太棒啦!」

皮卡特并非最先注意到无燃料飞行的人,早在二十五年前,美国加州蒙罗维亚AeroVironment航空公司工程师麦克里狄(Paul MacCready),即已建造一部名为「梦幻企鹅」(Gossamer Penguin)的低耗能轻型太阳能飞机。此无人飞行载具仅重三十一公斤,航行速度则比脚踏车还慢。但是完成后的「太阳动力」包含驾驶在内将重达两千公斤,光电池就佔去了四分之一重量,蓄电池将储存能量供夜间飞行。若一切顺利,全程将能保持时速约五十到一百公里左右,途中将降落五次以替换飞行员。

对单独的飞行员来说,这会是一趟相当「实惠」的飞行。窄小的驾驶舱将隔绝机外高至摄氏八十度低至摄氏零下六十度的极端气温,不过每段飞行驾驶员得保持同一个姿势五天。计画执行长兼驾驶之一的波许伯格(André Borschberg)说,他们还不知道要怎幺睡觉或保持警觉。

飞行员在夜间缓慢飞行时得保持最高警戒,儘管已有太阳能无人飞行载具成功连夜飞行的先例,但至今人为驾驶的太阳能飞机单次飞行尚未超过六小时。「太阳动力」的组员计画夜航时以电池供应电力,并将飞行高度降低。每天日落后,飞机将从离地十二公里的日间最大飞行高度,降至仅一公里高处。由于低处空气密度较高,可将飞机航速降低以节省能量消耗。

不用能源的飞行飞行(Flight)之梦

美国加州蒙罗维亚AeroVironment航空公司工程师麦克里狄(Paul MacCready),即已建造一部名为「梦幻企鹅」(Gossamer Penguin)的低耗能轻型太阳能飞机。

小心以对

然而最大的挑战将是天气问题。由于机身轻薄且速度缓慢,「太阳动力」在强风或乱流之下将无法稳定飞行。「这飞机跟巨型客机一样大,因此也面对一样的风与困难。」波许伯格说。儘管机翼甚至比空中巴士A380还长,他认为「太阳动力」飞起来较像滑翔翼,或像是当年莱特兄弟的飞机。

儘管飞行员能够慎选天候起飞,但夜间低空飞行时就得靠天吃饭了,得祈祷别碰上强风或乱流。「要是遇上逆风,那就真的是漫漫长夜了,电池蓄电恐怕会不够用,」波许伯格说到。对彻夜担心电力不足的飞行员来说,每天的日出都会显得特别可爱。

同行的太阳能飞行专家(许多本身也是飞行员)对此计画相当乐观。计画正式开始之前,皮卡特曾与麦克里狄讨论可行性,麦克里狄认为「这得要有一个设计精巧的载具,然后抓準难得的天候机会飞行,但仍然可行。」皮卡特说:「遗憾的是他过世的太早,无法见到我们进行首次飞行。」

「我们还不知道要怎幺睡觉或保持警觉。」 ——-波许伯格

英国「和风」(Zephyr)计画技术总监凯莱克(Chris Kelleher)亦和麦克里狄一样认为计画可行。无人太阳能动力载具「和风」曾缔造最长连续飞行纪录。「这是可行的,天候、飞行的速度与高度将是成败关键。」他说。身为小型无人飞机「和风」地面控制的「飞行员」,凯莱克认为「和风」离地十八公里的飞行高度使得操控性不成问题。凯莱克说,「这个高度下的风速与强度有个显着特徵,可以使飞机在空气的包覆下缓慢飞行,因此驾驶起来就像在开商业客机一样。」

不用能源的飞行飞行(Flight)之梦

「太阳挑战者」(Solar Challenger)飞机,一九八一年曾经成功横越英吉利海峡。

由于「太阳动力」将搭载驾驶,势必将无法升至「和风」的飞行高度。因此凯莱克认为天气预测将是计画成败的关键。「在稳定的天候下可以事先预测天气,及时降低飞行高度。」他说。

问题是航程之中能有多少稳定的天候呢?「太阳动力」的计画航线将沿着北迴归线飞行(可以掠过嘉义),藉此以使飞机能照到最多的日光,同时希望不会遇上恶劣的热带天候。波许伯格也认为天气预测将是关键。「对起飞来说不是问题,毕竟我们可以选择何时起飞,但对降落而言问题可就大了,因为你永远不知道实际的情况将会如何。」

为了测试天气预测系统的效能,「太阳动力」团队自去年五月起开始进行模拟飞行。研究人员设置了一架模拟机并输入相关天气数据供测试。波许伯格说,「经测试,我们认为这台机器基本上可以进行实际飞行。」

模拟飞行为工作团队带来许多宝贵的经验,皮卡特说,他们发现实际的飞行时间可能会比原先预期的更长,同时也了解到,无法在起飞时就确定以后的五天飞行将会一切顺利。要避开恶劣天候意味着航程不确定性的增加,「当我们模拟从夏威夷至迈阿密的航程时,遇上墨西哥湾正在下大雷雨,我们只好在亚利桑纳州凤凰城迫降,这个经验让我们知道计画要更有弹性。」皮卡特说。

靠天飞行

历来的太阳能飞机都面临天气的问题,但结局却大不相同。「梦幻企鹅」后的「太阳挑战者」(Solar Challenger)飞机,一九八一年曾经成功横越英吉利海峡。一九八○年起即任职于AeroVironment的库丁(Bob Curtin)回想当时的状况,「当时气流颇为不稳,天空中有许多云。」然而,「太阳挑战者」比起巨大的「太阳动力」小得多,因此操控起来也容易的多。

由美国太空总署(NASA)与AeroVironment合作设计的超轻型无人载具Helios,最后一次的飞行则栽在乱流手中。Helios巨型的「飞行翼」设计,可在飞行时弯曲以应付中等的乱流。此飞机是美国太空总署建造滞空时间长、飞行高度特高(离地超过二十九公里以上)飞行器计画的一部份。但在二○○三年一次长时间飞行的试验中,弯曲的机翼意外发生摆动,最后在太平洋上空折翼。「太阳动力」的机翼设计则依照传统的硬翼结构,虽然不会震动却可能被吹翻。皮卡特谈到为何选择此种设计,纯粹是出于要装上驾驶舱的缘故。

儘管天候难以预测,设计「太阳动力」的跨国团队却聪明的预测并选择了目前已知的各种科技。二○○三年他们提出一份技术可行性的研究报告指出,三四年内科技或许会有进步,但不会有大幅的技术突破。

例如研究报告预测,单硅晶太阳能电池发电效率将会达至百分之二十,今天太阳能电池的发电效率约百分之二十二。而太阳能电池仅厚约一百三十微米,在此厚度下其弹性足以将之装于机翼表面而不会破碎。他们也成功预测了充电锂电池的能量密度将可达两百(WH/KG)。

最后的设计便以这些科技作为基础,余下的便是工程技术问题而不是科学进展问题了。「所需的科技已经有了,接着要做的便是想办法减少能量消耗。」波许伯格说。

检验时刻

计画所需四个赞助者目前已有三个,三分之二的资金也已到位,团队已开始打造一架小台的原型机。此翼幅六十一公尺的原型机,将于下半年度进行试飞,预计可提供夜航可行性的参考资料。原型机测试数据回馈以修正原设计之后,团队将于二○○九、二○一○年正式打造全尺寸的「太阳动力」,若一切顺利,环球飞行计画将定于二○一一年上路。

一旦「太阳动力」正式升空,其进展必将众所瞩目。身为特技飞行员的凯莱克对试驾跃跃欲试,对于「太阳动力」的兴趣很高。根据自己不断探寻高效能和轻重量技术的经验,他称「太阳动力」为「可能的艺术」。不过他的公司却对无人飞行载具兴趣更高,目标电信传播业,计画以之作为卫星之外的另一种选择。由于卫星和地球间资料直接传输的成本高昂,例如飞机就可提供相对便宜的中继传输,「我们并不认为这将取代卫星的功能,但确实可以补足卫星功能的不足,或是以低成本达到一样的作用。」凯莱克说。

不用能源的飞行飞行(Flight)之梦

Helios巨型的「飞行翼」设计,可在飞行时弯曲以应付中等的乱流。

「未来真正值得期待的应该是无人载具。」——-库丁

儘管AeroVironment公司在Helios失事后便暂停了太阳能载具计画,业务副总经理库丁仍看好太阳动力飞机的潜在发展性。库丁提到公司已将其具备的低耗能技术用于「全球观察者」(Global Observer)计画,计画打造一架无人、超高飞行高度飞机以用于通讯传播与监测。「全球观察者」动力来源是液态氢做燃料的引擎,每次起飞可滞空一週。

为何此计画以氢取代太阳能作为动力?库丁解释,考量「全球观察者」的载重近一百八十一公斤,远比三十公斤的小型「和风」来的重;另外一个原因则是,由于目前技术限制,太阳能动力飞机航行须长日短夜,这将使得飞机的飞行範围限缩至较低高度。

但库丁提到,若太阳能电池与蓄电池技术有突破,他们也不排除重新採用。「未来真正值得期待的应该是无人载具。」他说,「由于最终的目标是製造长时间持续飞行的载具,这幺一来把人放在上头就没道理了。」

皮卡特相信他对无燃料飞行的梦想将改变人们对能量消耗的想法,就像麦克里迪对人们造成的改变一样。当被问到为何投身追求此一梦想,皮卡特和麦克里狄不约而同提到林白独自飞越大西洋的壮举。皮卡特指出,「林白当年只能独自飞行,因为剩下的载重都得留给燃料。」然而三十五年后的今天,每架飞越大西洋的班机都至少搭载三百人。皮卡特的太阳能单人环球飞行是一项豪赌,只因为梦想有一天他将不再独行。

上一篇: 下一篇: