文/猛 犸

　　1903年12月，莱特兄弟的“飞行者”飞过了260米的距离；100年后的今天，每天都有900万人飞过一万米的高空。飞机已经发展成了一个庞大的家族，虽然外形、速度和承载能力都大有不同，但是能量来源却都一样：依然是石油。

　　与此同时，越来越多的汽车开始采用电能驱动。和化石燃料相比，电力有更多的优势，例如驱动结构简单、成本更低，以及更加环保。也许是受到这些优势的吸引，航空业也开始寻求新的解决之道，电力飞机终于飞进人们的视野。

　　现在已经有了一些很有前途的电力飞行器。以这种发展趋势来看，也许在未来十年之内，小型电力飞机就会部分取代现在家用轿车的地位，成为常见的出行方式，而2010年后出生的孩子们，也许会被称为“机舱里的一代”。

　　逐日

　　2010年7月9日，Zephyr无人机上天，直到23日才降落下来。这架飞机来自英国国防技术企业Qinetiq，只有50公斤重，翼展却有22.5米。它仅靠自己的动力甚至无法起飞，但是却刷新了太阳能无人机的最长不间断飞行时间纪录：整整两个星期，336小时。

　　Zephyr是一架原型机，将来可能用于军事或者通讯用途。无人太阳能飞机的历史可以回溯到上世纪70年代，以Sunrise和Solar Riser为代表的太阳能飞机被用于侦查或者科考用途，在今天电子技术和微型计算技术的帮助下，它们的性能已经相当令人满意。

　　与之相比，载人太阳能飞机要走的路，还要更长一些。就在Zephyr起飞前一天的早上，Solar Impulse号刚刚安全降落，驾驶员André Borschberg打开驾驶舱盖，向围观的人们挥手致意，脸上是满满的倦意——他刚刚经过了26小时零9分钟的不间断飞行，这也是载人太阳能飞机的最好成绩。

　　虽然Solar Impluse的飞行时间只有Zephyr的十三分之一，但是它的体积却大得多。它的翼展长达63.4米，长21.85米，而重量却只有1600公斤，和一辆家用轿车差不多。为了满足夜间飞行的需要，它安装了400公斤重的锂离子聚合物电池组，占了总重的四分之一。

　　在今天的电动飞机中，电池的重量是最重要的制约因素。汽油的能量密度能够达到每公斤12.5千瓦时，即使按照30%的能量转化率计算，也有每公斤3.75千瓦时；而Solar Impluse使用的锂离子聚合物电池，能量密度却只有每公斤0.22千瓦时。换言之，电动飞机需要17公斤的电池，才能提供相当于一公斤汽油燃烧产生的能量。

　　很显然，为了弥补电池的弱点，电动太阳能飞机需要轻而坚固的机身。Solar Impluse的项目组用蜂巢状的碳纤维复合材料制造机身，以碳纤维材料制成翼肋，在上面铺满了150微米厚的太阳能电池板——一共用去了11628块。为了在供能和重量间取得的最好的平衡，这架翼展相当于空中客车A340的庞然大物，只有一个1.3平方米的驾驶舱，只能容纳一个人。

　　现在这架纤细如蜻蜓般的飞机能够以每小时70公里的平均速度飞行，最大高度达到8500米。它拥有四个10马力电动机，每个电动机都有自己的电池组和调节充放电以及温度的控制系统，以及一个直径3.5米的双轮叶式螺旋桨。螺旋桨的转速控制在每分钟200到400转，以避免过大的噪音和强烈的震动。以目前的实验结果来看，Solar Impluse做得不错。

　　2003年，位于洛桑的联邦综合理工大学完成了对不间断飞行太阳能载人飞机的可行性分析，当年11月28日正式宣告项目开始。Solar Impluse相关技术的研发花了三年时间，原型机的研制又花了另外的三年时间。现在，这架飞机入选了2010年《大众科学》杂志100项最佳实用创新技术榜单，它的研发者也开始下一代机型的制造，希望在今年飞跃大西洋，并在2013年完成环球飞行。到那时，载人太阳能飞机将会像永不降落的风筝一样，不受限制地在天空翱翔。

　　平衡

　　在光照最强的正午，每平方米地表也只能接收到大约1000瓦光能。平均到一天之内，每平方米分摊的太阳能仅有250瓦左右。Solar Impluse拥有200平方米电池板，整个驱动系统的能量转化效率大约能达到12%——现在太阳能电池的转化效率最高只能达到20%左右——这就意味着引擎的功率只能达到8马力左右。这大概只相当于莱特兄弟那架“飞行者”的功率，而翼展六十多米的飞机，并不能轻松地放进车库里。

　　而如果减小太阳能电池的面积，能量将会变得更少，少到无法维持飞行甚至无法起飞。这看起来像是个难题，不过早在1894年，德国人Otto Lilienthal就给出了漂亮的答案：滑翔。具体来说，太阳能飞机可以以电池驱动螺旋桨起飞和爬升，在达到适当高度后，以太阳能电池提供继续飞行和降落的能量；如果能量不足，只要再滑翔一会就好。

　　Solar Flight公司的Sunseeker系列太阳能载人飞机就是采用了这种思路，并且已经在09年4月，以一架Sunseeker II飞机完成了横跨欧洲八国的飞行。Sunseeker II的空载重量甚至不到Solar Impluse的十分之一，最大重量也不过只有229公斤。这是架单引擎小飞机，长7米，宽17米，起飞和爬升时用一部8马力电动机来提供动力，让它达到大约1000米的高度和大约每小时60公里的巡航速度。电池的电量会在15分钟之内用光，剩下的能量只能依赖太阳能电池——和Solar Impluse一样，它的机翼上也铺满了太阳能电池板。如果电池还有电的话，它的最高速度可以达到每小时120公里。这架重量和摩托车差不多的小飞机适合短途飞行，甚至还有双座版本。

　　但是它还是有点太大了。如果要让电动飞机变得更小，也许只能抛弃太阳能电池，而使用蓄电池提供能量。这会需要更重的电池，但是会获得更强大的动力：这正是许多小型电动飞机的关注点。

　　近几年，航展上开始出现越来越多的电动飞机，一些来自创业企业，另一些甚至来自飞机爱好者的手工工场。现在已经有数十种电动飞机面世，从电力滑翔机到全电力飞机都有。其中一些简陋的宛如一战时期的战斗机，而另一些则简单得像是玩具。但是没有人知道，今天的这些飞机，会不会成为明天的空中法拉利。

　　2009年10月10日，Yuneec E430飞上天空。这架飞机翼展只有13.8米，却提供了两个座位。它只有1.15米高，空载重量只有171.5公斤，简直像个玩具。这也难怪，毕竟Yuneec就是以航模制造起家的企业。现在这家企业正在上海郊区的工厂里生产这种小飞机，它能够达到每小时150公里的速度，充满电的情况下只能飞行一个半到三个小时——取决于天气状况。而为了维持这么短的飞行，它的电池重量却几乎占去整架飞机重量的一半。不过令人高兴的是，它的每小时飞行成本只需要5美元。

　　看起来，现在的电动飞机正像是早期的电动汽车：续航时间不长，充电时间不短，而且速度还不快。不过，正如电动汽车行业在短短几年中的显著进步一样，电动飞机也将会有迅速的发展——只要市场够诱人，就从来不乏新竞争者的加入。

　　蹊径

　　2006年，德国Lange Aviation公司制造的Antares 20E就已经飞到了3000米的高度。这是一架单人电动滑翔机，只有460公斤重，有一对细长得怪异的机翼。它使用一部42千瓦的电动机，由安装在机翼上的72块锂离子电池提供电能，能够达到每小时73公里的速度。制造这样的飞机，已经没有什么技术难关需要跨越了。人们能做的，只是绞尽脑汁挖掘现有技术的极限罢了。

　　这大概就是美国航空航天局从2009年开始举办“绿色飞行挑战赛”的原因，这项挑战赛奖励那些能源利用效率最高的轻型飞机，获胜者能够获得150万美元的奖金。已经有不少企业投入到电力飞机的研发中，甚至连波音和空中客车这样的大型飞机制造商也开始谨慎地迈进这一领域。“我想人们正在醒来。”Randall Fishman说，他是新泽西州的一位退休珠宝商，也是个有30年经验的飞行员。“许多人都开始想，电动飞机会发展成什么样子？这些技术会如何影响我们的生活？”

　　Fishman自己设计和制造了ElectraFlyer系列飞机。这系列飞机最大的革新是它的电源控制系统，在整套电路中电能的有效利用率高达98%，几乎榨干了所有的潜能。除此之外，这架小飞机还拥有一些电动汽车电力回收系统的特性：在滑翔时，螺旋桨可以将风力转化成电力，为电池充电。现在Fishman在自己的网站上出售ElectraFlyer系列的零件和控制系统，同时研制双座电动飞机，希望能够在近期试飞，并且推向市场。

　　做为个人或者家用交通工具，电动飞机的优势甚至胜过电动汽车——最少，它不会受到堵车的困扰。环保组织也会欢迎这样的飞机，因为随着可再生能源技术的发展，电能终将变成清洁的能源。然而，却还有两个巨大的难题：电动飞机只能是螺旋桨飞机。它的速度不会太高，而在电池的储能能力没有获得革命性的突破之前，它的承载能力和续航能力也相当有限。

　　前一个问题可能无法突破，但是第二个问题却并非无解。只要有了足够的电能，飞机就能永远飞行；而电池并不一定是必须的要件：电能，可以无线传输。

　　实际上，早在上世纪七十年代，加拿大和美国就研制过无线供电的电动无人机。它们接收地面微波站发送的高能微波，用硅整流二极管天线转成直流电，以驱动电动机。它的能源转化效率高达95%以上，可以用于战场侦察或者科研用途。抛掉大部分电池的电动飞机体积更小，重量更轻，速度也可以更快，这让它们成为很好的助手，进入那些人类不适宜进入的环境；而只要地面不停止供能，它就不必降落。虽然微波供能飞机未必适合载人飞行，但是也许可以在短程货物运输中发挥作用。

　　人类的技术史是一部发展得越来越快的历史，现在的十年时间，足以完成一次巨大的跨越。也许在十年之后，电动飞行工具就会让我们的生活变得截然不同，甚至到目前难以想象的程度；在那一天真正到来时，今天的预言也许看起来只像是幼稚的呓语。让我们拭目以待吧。