1999年3月21日清晨，伯特兰·皮卡德和布莱恩·琼斯在埃及沙漠降落了他们的热气球，完成了人类首次不间断环球飞行。庆典期间，皮卡德有了一个令人警醒的发现：维持热气球升空的丙烷罐几乎空了。“如果大西洋上空的风再小一点，我就得迫降了，”他说。皮卡德当时就发誓要找到一种不使用任何燃料就能环绕地球的方法。
自五月起，皮卡德将和一名搭档轮流驾驶一架单座太阳能飞机，从旧金山飞往纽约——这是计划于2015年进行的一次环球飞行的前奏。皮卡德的飞机被命名为HB-SIA（意为“太阳冲动阿尔法”），它颠覆了传统的航空理念。当他首次向他人讲述自己的梦想时，“几乎所有人都认为我疯了，”他说。尽管像保罗·麦克雷迪这样的先驱自20世纪70年代以来一直在制造载人太阳能飞机，但没有一架能在日落后飞行，更不用说跨越大西洋和太平洋连续飞行数天了。
障碍在于重量。要在夜间飞行，飞机必须依靠白天充电的电池提供的电力。但电池每磅储存的能量远少于一箱喷气燃料，所以飞机必须携带更多的电池重量才能飞行同等距离。更重的飞机需要更多的飞行能量，而这反过来又需要更多的电池功率。再加上驾驶舱和飞行员，这架飞行器可能重得无法起飞。因此，太阳能飞机研究通常集中在无人驾驶飞行器上，例如NASA的飞翼式飞机“赫利俄斯”。
皮卡德是一位瑞士精神科医生和飞行员，他来自一个不畏挑战的冒险家家庭：1960年，他的父亲雅克首次抵达海洋最深点；1931年，他的祖父奥古斯特成为首位到达平流层的气球驾驶员。皮卡德继续推广他的太阳能飞机理念，洛桑联邦理工学院（EPFL）于2003年同意进行正式的可行性研究。研究得出结论，一架超轻型飞机，配备长翼展以减小阻力并支撑太阳能电池，是可行的。安德烈·博尔施伯格，领导EPFL研究的飞行员和工程师，与皮卡德联手正式创立了Solar Impulse，并开始招募企业和个人捐助者，为这个耗资1.3亿美元、为期10年的项目提供资金。
两人立即遇到了寻找航空承包商制造飞机的难题。没有人认为这是可行的，于是他们组建了自己的杂牌工程师团队。“我认为我们团队中非航空领域的人比航空领域的人还多，”博尔施伯格说。Solar Impulse的飞机开发负责人罗伯特·弗雷费尔拥有F1赛车背景。其他人则来自光伏制造和压铸等行业。“在某些方面，缺乏经验反而是一大优势，”博尔施伯格说。“有经验的人，往往会回到他们知道的解决方案上。”
两人立即遇到了寻找航空承包商制造飞机的难题——没有人认为这是可行的。该团队决定完全采用碳纤维（由一家制造游艇的公司生产）建造机身的肋骨和翼梁，并用高性能塑料螺钉和螺栓连接。这些材料轻巧但足够坚固，使HB-SIA的翼展达到69码，几乎与空客A340-500客机相当。然而，飞机重量仅略高于3500磅，不到空客飞机重量的1%，且比普通SUV轻约2000磅。
为给飞机提供动力，工程师们在主翼和水平尾翼上层叠了近12000块硅太阳能电池。这些电池在24小时内平均产生50千瓦的电力，在飞机飞行时直接输送给电机，多余的电力则充入四个锂聚合物电池。电池管理系统可确保电池不会过冷导致效率降低，或危险地过热。
经过四年的设计和两年的建造，飞机于2009年底在瑞士杜本多夫机场进行了首次“跳蚤式”起飞——飞行了1148英尺。真正的考验发生在2010年7月，博尔施伯格驾驶飞机首次在瑞士派恩上空进行了夜间飞行。“我们不知道飞机具体会表现如何，”他说。“我们会不会比计划消耗更多的能量？我们会不会遇到下降气流？”没有自动驾驶仪，他以坐姿连续飞行了26小时，并通过瑜伽技巧在狭窄的驾驶舱内伸展身体。降落时，他创下了三项纪录，包括载人太阳能飞机最高飞行高度30300英尺，以及最长太阳能飞行时间26小时10分钟19秒。
HB-SIA原型机证明了该团队的飞机概念是有效的——但它无法环绕世界飞行。以太阳能航空的慢速——HB-SIA的巡航速度约为每小时43英里——皮卡德估计，横渡大西洋需要三天不间断飞行，横渡太平洋则需要五到六天。这需要一架具有冗余系统和更符合人体工程学的驾驶舱的飞机，以便飞行员能够休息；需要更高的效率来创造更多的能量储备；以及防漏的电子设备，以应对潮湿环境。因此，Solar Impulse团队目前正处于建造HB-SIB的中期。“第一架飞机采用的是2007年的技术。第二架飞机将采用未来的技术，”皮卡德说。
HB-SIB的尺寸将增大11%，配备自动驾驶仪、更高效的电动机，以及由更轻的碳纤维材料制成的骨架。由于索尔维（Solvay）和拜耳材料科技（Bayer MaterialScience）开发的新型电解质和电极，电池的能量密度将更高——这些技术已经应用于电动汽车和消费电子产品。两家公司还为飞机的翼尖和驾驶舱绝缘开发了坚固的高性能聚氨酯泡沫，拜耳公司目前将其用于冰箱和建筑行业。
皮卡德很高兴他的项目激发了可能促进其他行业发展的技术，但他同时也希望Solar Impulse能够推动可再生能源的探索。“当我们谈论环境保护时，往往很枯燥，”皮卡德说。“这涉及到更少的出行，更少的舒适，更少的增长。”相反，他希望证明利用太阳的潜力将带来更多的自由。
1) 机身
工程师们通过将碳纤维层压成梁和桁条，构建了飞机超轻型的骨架。轻质且坚固的泡沫材料构成了翼尖，并为吊舱和驾驶舱提供了绝缘。
2) 机翼
飞机的长而薄的机翼跨度为69码。其长度可减小阻力，最大化空气动力学效率，并为10748块太阳能电池提供了充足的表面积。
3) 太阳能电池
这些由单晶硅制成的太阳能电池，厚度仅为150微米，覆盖了飞机239平方码的面积。它们将阳光转化为电能的效率为22%。
4) 仪表
由于其翼展和低速——约每小时43英里——飞机只能倾斜最多五度，远低于传统飞机。Omega仪器精确测量倾斜角度，如果飞行员倾斜角度过大，则会震动操纵杆。
5) 驾驶舱
驾驶舱仅容纳一名飞行员，且他必须保持坐姿。他使用操纵杆、方向舵踏板和四个操纵杆来控制飞机。
6) 吊舱
机翼下方的四个吊舱（或称为吊舱）分别装有电池组、10马力的电动机和齿轮箱，以每分钟400转的速度驱动螺旋桨。通过分散电池重量，吊舱也减轻了结构载荷。
7) 电池
总重超过880磅的锂聚合物电池组占飞机总重量的四分之一。它们效率很高，每磅可储存约109瓦时。
飞行路线
白天，太阳能飞机爬升至27000到28000英尺之间。当太阳下山时，螺旋桨会减速以节省能源，飞机缓慢下降到约4500英尺。它将保持在该高度，直到太阳升起，电池开始充电。机组气象学家利用模拟来确定白天最佳的爬升时间，并考虑预期的风力和云层覆盖。
斯蒂芬·卡斯（Stephen Cass）是一位居住在波士顿的科技记者，经常报道航空航天和计算领域。
本文最初刊登于《大众科学》2013 年 5 月刊。在此处查看本期杂志的其他内容。
