不用能源的飛行飛行(Flight)之夢

不用能源的飛行飛行(Flight)之夢
知識通訊評論第66期

全由太陽能推動，透過太陽能電池產生約九千瓦特的電能起飛。

一九○三年一個迎風的海濱，萊特兄弟駕駛了人類第一架動力飛行器完成了處女航，這是一個短距離顛簸繃跳寫下的歷史。一個多世紀之後，另一架單座飛行器「太陽動力」 (Solar Impulse)也正準備開始它創紀錄的航程，計畫環繞世界一周。

「太陽動力」任一邊的機翼，比萊特（Orville Wright）當年首次飛行的距離都要長，但它真正令人注目的不是長達八十公尺的翼展，令人驚豔的是它的動力來源、以及低耗能性。「太陽動力」全由太陽能推動，透過太陽能電池產生約九千瓦特的電能起飛，這只約略相當於當年單引擎萊特飛行器所產生的能量。

從前人們毫不相信萊特兄弟的「機器」能夠起飛，更不相信能夠航行，因此飛行器被戲稱為「比空氣重的機器」，晚近太陽能飛行的發展也激起了類似的懷疑。（參看《太陽能飛行史》）

太陽能飛機多半飛得不快，其結構骨架也易受天候影響，這和我們對現代航空飛行的印象相去甚遠。而計畫駕駛「太陽動力」環球飛行的飛行員，更得做好準備，每次得在空中待上五天，還要挑戰在沒有陽光的暗夜中飛行。

計畫耗資九千一百萬美元的「太陽動力」計畫源於瑞士飛行家皮卡特（Bertrand Piccard）的夢想，皮卡特曾於一九九九年駕駛熱氣球「勃特靈衛星三號」（Breitling Orbiter 3）創下連續二十天飛行環繞世界的紀錄。計畫親自駕駛「太陽動力」的皮卡特來自一個愛冒險的家族，祖父奧古斯特（Auguste Piccard）在一九三一年駕駛熱氣球升空，創下離地二十三公里的紀錄，而父親雅各（Jacques Piccard）也不遑多讓，曾乘坐潛水艇潛至地球海洋最深處，馬里亞納海溝（Mariana Trench）的最低點挑戰者深溝（Challenger Deep）。

瑞士飛行家皮卡特（Bertrand Piccard）曾於一九九九年駕駛熱氣球「勃特靈衛星三號」（Breitling Orbiter 3）創下連續二十天飛行環繞世界的紀錄。

皮卡特回憶初想起這個計畫，是他結束環繞世界飛行步出熱氣球之時。他說：「媒體認為一九九九年我的熱氣球環繞世界，已是人類最後的冒險了，當時我四十一歲，心想，要是真如他們所說，已經沒有什麼冒險可做，那可真令人遺憾。」

「如果有載具能不耗燃料而日夜飛行，航程也沒有限制，那就太棒啦！」—–皮卡特

同時，他也對駕熱氣球環繞世界時耗去的大量燃料感到不滿，起飛時他們攜帶了近四噸的液態丙烷，到落地時卻只剩四十公斤。飛行當中燃料一直很吃緊，要是當時大西洋上空風力不夠，他們很可能就得迫降而功敗垂成。皮卡特說，「如果有載具能不耗燃料而日夜飛行，航程也沒有限制，那就太棒啦！」

皮卡特並非最先注意到無燃料飛行的人，早在二十五年前，美國加州蒙羅維亞AeroVironment航空公司工程師麥克里狄（Paul MacCready），即已建造一部名為「夢幻企鵝」(Gossamer Penguin)的低耗能輕型太陽能飛機。此無人飛行載具僅重三十一公斤，航行速度則比腳踏車還慢。但是完成後的「太陽動力」包含駕駛在內將重達兩千公斤，光電池就佔去了四分之一重量，蓄電池將儲存能量供夜間飛行。若一切順利，全程將能保持時速約五十到一百公里左右，途中將降落五次以替換飛行員。

對單獨的飛行員來說，這會是一趟相當「實惠」的飛行。窄小的駕駛艙將隔絕機外高至攝氏八十度低至攝氏零下六十度的極端氣溫，不過每段飛行駕駛員得保持同一個姿勢五天。計畫執行長兼駕駛之一的波許伯格（André Borschberg）說，他們還不知道要怎麼睡覺或保持警覺。

飛行員在夜間緩慢飛行時得保持最高警戒，儘管已有太陽能無人飛行載具成功連夜飛行的先例，但至今人為駕駛的太陽能飛機單次飛行尚未超過六小時。「太陽動力」的組員計畫夜航時以電池供應電力，並將飛行高度降低。每天日落後，飛機將從離地十二公里的日間最大飛行高度，降至僅一公里高處。由於低處空氣密度較高，可將飛機航速降低以節省能量消耗。

美國加州蒙羅維亞AeroVironment航空公司工程師麥克里狄（Paul MacCready），即已建造一部名為「夢幻企鵝」(Gossamer Penguin)的低耗能輕型太陽能飛機。

小心以對

然而最大的挑戰將是天氣問題。由於機身輕薄且速度緩慢，「太陽動力」在強風或亂流之下將無法穩定飛行。「這飛機跟巨型客機一樣大，因此也面對一樣的風與困難。」波許伯格說。儘管機翼甚至比空中巴士A380還長，他認為「太陽動力」飛起來較像滑翔翼，或像是當年萊特兄弟的飛機。

儘管飛行員能夠慎選天候起飛，但夜間低空飛行時就得靠天吃飯了，得祈禱別碰上強風或亂流。「要是遇上逆風，那就真的是漫漫長夜了，電池蓄電恐怕會不夠用，」波許伯格說到。對徹夜擔心電力不足的飛行員來說，每天的日出都會顯得特別可愛。

同行的太陽能飛行專家（許多本身也是飛行員）對此計畫相當樂觀。計畫正式開始之前，皮卡特曾與麥克里狄討論可行性，麥克里狄認為「這得要有一個設計精巧的載具，然後抓準難得的天候機會飛行，但仍然可行。」皮卡特說：「遺憾的是他過世的太早，無法見到我們進行首次飛行。」

「我們還不知道要怎麼睡覺或保持警覺。」 ——-波許伯格

英國「和風」(Zephyr)計畫技術總監凱萊克（Chris Kelleher）亦和麥克里狄一樣認為計畫可行。無人太陽能動力載具「和風」曾締造最長連續飛行紀錄。「這是可行的，天候、飛行的速度與高度將是成敗關鍵。」他說。身為小型無人飛機「和風」地面控制的「飛行員」，凱萊克認為「和風」離地十八公里的飛行高度使得操控性不成問題。凱萊克說，「這個高度下的風速與強度有個顯著特徵，可以使飛機在空氣的包覆下緩慢飛行，因此駕駛起來就像在開商業客機一樣。」

「太陽挑戰者」(Solar Challenger)飛機，一九八一年曾經成功橫越英吉利海峽。

由於「太陽動力」將搭載駕駛，勢必將無法升至「和風」的飛行高度。因此凱萊克認為天氣預測將是計畫成敗的關鍵。「在穩定的天候下可以事先預測天氣，及時降低飛行高度。」他說。

問題是航程之中能有多少穩定的天候呢？「太陽動力」的計畫航線將沿著北迴歸線飛行(可以掠過嘉義)，藉此以使飛機能照到最多的日光，同時希望不會遇上惡劣的熱帶天候。波許伯格也認為天氣預測將是關鍵。「對起飛來說不是問題，畢竟我們可以選擇何時起飛，但對降落而言問題可就大了，因為你永遠不知道實際的情況將會如何。」

為了測試天氣預測系統的效能，「太陽動力」團隊自去年五月起開始進行模擬飛行。研究人員設置了一架模擬機並輸入相關天氣數據供測試。波許伯格說，「經測試，我們認為這台機器基本上可以進行實際飛行。」

模擬飛行為工作團隊帶來許多寶貴的經驗，皮卡特說，他們發現實際的飛行時間可能會比原先預期的更長，同時也瞭解到，無法在起飛時就確定以後的五天飛行將會一切順利。要避開惡劣天候意味著航程不確定性的增加，「當我們模擬從夏威夷至邁阿密的航程時，遇上墨西哥灣正在下大雷雨，我們只好在亞利桑納州鳳凰城迫降，這個經驗讓我們知道計畫要更有彈性。」皮卡特說。

靠天飛行

歷來的太陽能飛機都面臨天氣的問題，但結局卻大不相同。「夢幻企鵝」後的「太陽挑戰者」(Solar Challenger)飛機，一九八一年曾經成功橫越英吉利海峽。一九八○年起即任職於AeroVironment的庫丁（Bob Curtin）回想當時的狀況，「當時氣流頗為不穩，天空中有許多雲。」然而，「太陽挑戰者」比起巨大的「太陽動力」小得多，因此操控起來也容易的多。

由美國太空總署（NASA）與AeroVironment合作設計的超輕型無人載具Helios，最後一次的飛行則栽在亂流手中。Helios巨型的「飛行翼」設計，可在飛行時彎曲以應付中等的亂流。此飛機是美國太空總署建造滯空時間長、飛行高度特高（離地超過二十九公里以上）飛行器計畫的一部份。但在二○○三年一次長時間飛行的試驗中，彎曲的機翼意外發生擺動，最後在太平洋上空折翼。「太陽動力」的機翼設計則依照傳統的硬翼結構，雖然不會震動卻可能被吹翻。皮卡特談到為何選擇此種設計，純粹是出於要裝上駕駛艙的緣故。

儘管天候難以預測，設計「太陽動力」的跨國團隊卻聰明的預測並選擇了目前已知的各種科技。二○○三年他們提出一份技術可行性的研究報告指出，三四年內科技或許會有進步，但不會有大幅的技術突破。

例如研究報告預測，單矽晶太陽能電池發電效率將會達至百分之二十，今天太陽能電池的發電效率約百分之二十二。而太陽能電池僅厚約一百三十微米，在此厚度下其彈性足以將之裝於機翼表面而不會破碎。他們也成功預測了充電鋰電池的能量密度將可達兩百（WH/KG）。

最後的設計便以這些科技作為基礎，餘下的便是工程技術問題而不是科學進展問題了。「所需的科技已經有了，接著要做的便是想辦法減少能量消耗。」波許伯格說。

檢驗時刻

計畫所需四個贊助者目前已有三個，三分之二的資金也已到位，團隊已開始打造一架小台的原型機。此翼幅六十一公尺的原型機，將於下半年度進行試飛，預計可提供夜航可行性的參考資料。原型機測試數據回饋以修正原設計之後，團隊將於二○○九、二○一○年正式打造全尺寸的「太陽動力」，若一切順利，環球飛行計畫將定於二○一一年上路。

一旦「太陽動力」正式升空，其進展必將眾所矚目。身為特技飛行員的凱萊克對試駕躍躍欲試，對於「太陽動力」的興趣很高。根據自己不斷探尋高效能和輕重量技術的經驗，他稱「太陽動力」為「可能的藝術」。不過他的公司卻對無人飛行載具興趣更高，目標電信傳播業，計畫以之作為衛星之外的另一種選擇。由於衛星和地球間資料直接傳輸的成本高昂，例如飛機就可提供相對便宜的中繼傳輸，「我們並不認為這將取代衛星的功能，但確實可以補足衛星功能的不足，或是以低成本達到一樣的作用。」凱萊克說。

Helios巨型的「飛行翼」設計，可在飛行時彎曲以應付中等的亂流。

「未來真正值得期待的應該是無人載具。」——-庫丁

儘管AeroVironment公司在Helios失事後便暫停了太陽能載具計畫，業務副總經理庫丁仍看好太陽動力飛機的潛在發展性。庫丁提到公司已將其具備的低耗能技術用於「全球觀察者」(Global Observer)計畫，計畫打造一架無人、超高飛行高度飛機以用於通訊傳播與監測。「全球觀察者」動力來源是液態氫做燃料的引擎，每次起飛可滯空一週。

為何此計畫以氫取代太陽能作為動力？庫丁解釋，考量「全球觀察者」的載重近一百八十一公斤，遠比三十公斤的小型「和風」來的重；另外一個原因則是，由於目前技術限制，太陽能動力飛機航行須長日短夜，這將使得飛機的飛行範圍限縮至較低高度。

但庫丁提到，若太陽能電池與蓄電池技術有突破，他們也不排除重新採用。「未來真正值得期待的應該是無人載具。」他說，「由於最終的目標是製造長時間持續飛行的載具，這麼一來把人放在上頭就沒道理了。」

皮卡特相信他對無燃料飛行的夢想將改變人們對能量消耗的想法，就像麥克里迪對人們造成的改變一樣。當被問到為何投身追求此一夢想，皮卡特和麥克里狄不約而同提到林白獨自飛越大西洋的壯舉。皮卡特指出，「林白當年只能獨自飛行，因為剩下的載重都得留給燃料。」然而三十五年後的今天，每架飛越大西洋的班機都至少搭載三百人。皮卡特的太陽能單人環球飛行是一項豪賭，只因為夢想有一天他將不再獨行。