高空飛艇面臨的幾項技術難點

高空飛艇是依靠浮力升空、動力推進，并攜帶任務載荷，在特定區域實現長時間駐留、可控飛行的浮空飛行器，屬于航空飛行器的范疇。高空飛艇的升空高度一般在12～30千米左右。由于高空飛艇具有駐空高度高、載重量大、留空時間長、可重復使用等使用特點，因此，高空飛艇可執行長航時對地觀測、戰略預警、區域監視、通信中繼等使命任務，是我國未來重點發展的戰略產品，世界上許多國家都在積極發展。

高空飛艇也是一種高技術、高創新、高難度的浮空飛行器，具有各系統緊密耦合、相互制約，重量體積巨大，質量、慣量變化顯著，熱力、動力耦合嚴重等特點。高空飛艇的研制更是一項復雜的航空系統工程，它涉及總體、氣動、結構、能源、動力推進、飛行控制、航空電子、巨型復合材料結構及成型工藝等多個專業領域。從目前世界各國高空飛艇發展現狀以及多個高空飛艇項目不斷調整或取消研制計劃來看，高空飛艇還面臨著諸如總體設計與系統集成、特殊氣動問題、飛行控制、氣囊材料、能源、動力推進等多項技術挑戰。下面主要針對高空飛艇面臨的氣動、結構強度以及飛行控制等幾項技術難點進行重點論述，并不涉及氣囊材料、能源、推進系統等基礎工業產品面臨的問題。

氣動分析技術

由于飛艇特殊的外形、結構及所處的復雜環境，其空氣動力學特性與傳統的飛機空氣動力學特性不同，同時飛艇是輕于空氣的飛行器，主要依靠浮力升空，其重量主要由浮力平衡，因此其飛行原理與飛機也不同。正是由于飛艇與傳統飛機空氣動力學及飛行原理的差異性，使得飛艇的氣動分析技術不能完全借用飛機的氣動分析技術。

（1）氣動特性計算與分析

高空飛艇一般為軟式或半硬式結構，飛艇外膜在外圍流場作用下會有較大變形，現有的估算方法已經不適用于飛艇。即使將其當做剛體，采用常規的飛機估算方法也有較大差別。為更好研究飛艇飛行的力學特性，關鍵是要能夠了解結構變形與氣動力的相互作用。由于目前尚無統一、合適的柔性體模型試驗的相似準則，所以只能通過計算與分析來研究柔性體模型與剛體氣動力的差異。雖然計算流體力學與計算結構力學都已取得很大的成功，但將兩者耦合計算，仍有很大的挑戰性。如果再考慮飛艇浮力變化、重心變化、大氣環境變化等，其復雜程度會更高。因此需建立全面、準確的包括大氣環境、浮力、固體、流體等的多物理場耦合模型。

（2）氣動參數辨識

無論是計算或風洞試驗，其結果的準確性最終都需通過飛行試驗確定，但直接測量飛行器的氣動特性是非常困難的，比較常用的方法是飛行器的氣動參數辨識方法。飛艇的氣動參數辨識建模時需考慮浮力、附加質量、附加質量慣性矩以及重心變化等多種因素，因此飛機的氣動參數識方法無法完全適用于飛艇。針對飛艇需要建立自己的氣動參數辨識模型；同時由于飛艇艇身較大，艇身周圍的氣流畸變比飛機更為嚴重，因此飛艇所測的參數如何消除干擾或將干擾降至最低，使測得的參數可以反應飛艇的真實運動狀態比飛機更為復雜，因此如何消除艇身等帶來的干擾是今后氣動參數辨識重點之一。總結起來，飛艇的氣動參數辨識存在兩方面的工作：建立準確而全面的參數辨識方程和建立精確的運動參數的測量及修正方法。

（3）飛艇的操縱性、穩定性計算分析及其判別準則

目前，國內外關于飛艇的操縱性和穩定性計算分析主要還是參考飛機的計算分析方法，雖然目前針對飛艇的具體情況，考慮了某些影響因素，但還不全面，尤其是對飛艇操縱性和穩定性判別準則還沒有完全一致的標準，需要建立飛艇穩定性的判別準則；同時如何將一些特殊點引入飛艇的操穩計算中將成為研究的難點，比如飛艇的附加質量、附加質量慣性矩、重心浮心等的相對位置關系、大氣環境（溫度、壓力、突風響應、風切變）、飛行姿態的平衡和控制（矢量控制加舵面控制）。只有將這些問題都考慮的比較全面，計算出的結果才能真實反映飛艇的操穩特性。

結構強度分析技術

高空飛艇在起飛、巡航和下降過程中，需要經過復雜大氣環境的平流層和對流層，由于高空飛艇體積巨大，長細比大，易受大氣風場、太陽輻射及多物理場耦合影響，導致飛艇姿態不穩定、運動規律復雜、飛艇載荷計算困難，結構強度設計不準確。

（1）高空風場中艇體結構的載荷計算

在10～15千米高空的對流層區域內，水平風速最大可達60米/秒，湍流度約為20%，高空飛艇易遭受大氣湍流（分為連續突風和離散突風）影響。由于飛艇結構的特殊性，借鑒飛機計算方法的計算精度低、誤差大。

實現高空風場中飛艇突風載荷準確計算，需建立和完善高空大氣環境基礎數據庫與數學模型；根據飛艇的大型柔性結構特點，需考慮飛艇結構對突風的減緩效應，準確的計算飛艇突風載荷減緩因子；飛艇的轉動慣量和附加質量較大，需建立準確合理的方法分析附加質量對飛艇突風載荷的影響。

（2）高空環境下飛艇氣/熱/固多場耦合分析

高空的熱環境包含較多復雜因素，如太陽輻射、紅外輻射、強迫對流與自然對流等。運行過程中溫度、壓力和熱等方面的交互影響導致艇體結構性能分析困難。

影響高空環境下飛艇氣/熱/固多場耦合分析技術的難點有：一是缺乏高精度、高可靠性數值計算方法與定常迭代快速收斂技術進行緊耦合求解分析；二是高效、高質量、快速計算網格生成技術不成熟，嚴重影響了計算效率與精度；三是飛艇氣/熱/固多場耦合分析技術設計的因素多，需要同時考慮輻射和熱傳導對結構溫度的影響、氣體流動、流體與彈性體之間的熱量傳遞、流體對彈性體的壓力作用、彈性體在溫度和壓力作用下的變形、彈性體變形對流體的影響。

（3）艇體結構動響應分析

高空飛艇慣性大、剛度小、非線性強，使得其結構動態特性呈現固有頻率低且密集、結構阻尼非線性強等特點。由于飛艇結構無法提供足夠的阻尼，當出現激勵時飛艇局部甚至整體結構易產生長時效的大幅振動，危及飛艇結構安全。

艇體結構動響應分析難點包括：幾何非線性的軟式結構固有動力特性分析；幾何非線性和局部褶皺的氣囊、尾翼等大型軟式結構的動力響應分析；非線性柔性支撐剛度和連接剛度下硬式結構動力響應分析；非線性柔性支撐剛度和連接剛度下非線性柔性結構的動力響應分析以及飛艇結構主要阻尼識別及阻尼特性分析。

飛行控制技術

高空飛艇通常采用電傳飛行控制技術，但與常規固定翼飛行器相比，其在使用環境、飛行品質及控制律、執行機構等方面有其自身特點。高空飛艇的飛行控制技術難點主要體現在以下幾個方面。

（1）高保真運動建模技術

高保真運動模型是飛行控制律設計的基礎。相比固定翼飛行器，飛艇的運動建模技術發展較為滯后，至今還沒有成熟、可靠的建模方法，也幾乎沒有經驗試飛數據。飛艇建模的難點體現在兩個方面：一是飛艇的外形和結構通常是不一樣的，而流體慣性力直接取決于外形，氣囊結構（如囊體內氣動的移動、副氣囊的充放氣等）則會影響到飛艇的重量、重心，增加了飛艇理論建模的難度。二是飛艇作為特種飛行器，由于數量少、投入少，并沒有足夠的試飛測試數據做支撐，導致理論運動模型的準確性難以評價，也就無法修正并形成高保真的運動模型。

（2）強魯棒盤旋定點控制技術

盤旋定點控制技術包括高度控制和位置控制兩個方面。高度控制的難點在于飛艇凈浮力是隨氣體溫度不斷變化。而在實際飛行過程中，溫度變化通常未知，因而在高度控制過程中，始終存在凈浮力變化的擾動，若不采取切實有效的控制策略，將會導致實際飛行高度發生非常大的波動。盤旋定點控制的主要任務是引導飛艇以適當的航向角和速度在特定位置進行飛行，此過程中，需要適應不同的風場環境。飛艇設計的最大飛行速度通常不會超過40米/秒（無風時）。因此，一旦疊加上風的影響，對飛艇運動的影響都是顯而易見的，外加上定點區域的限制，無形中增加了盤旋定點控制的難度。

結束語

高空飛艇的研制是一項技術難度大、集成度高、極具挑戰性的航空系統工程。目前，國外發達國家都在致力于高空飛艇的發展，但總體上仍處在探索性研究和試驗驗證階段。國內也非常重視高空飛艇的研發，國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》明確要求：重點發展基于衛星、飛機和平流層飛艇的時空協調、全天候、全天時的對地觀測系統，自2010年經國務院批準啟動實施以來，在高空飛艇項目研究方面，進行了大量關鍵技術的理論分析研究和試驗驗證，取得了一定的進展，但總體技術水平與國外還有一定差距。

如何快速占領這一國際戰略新興的制高點，促進我國高空飛艇研制和應用的發展，不僅需要依托制約高空飛艇發展的氣囊材料、太陽能電池及再生燃料電池等基礎工業產品的技術發展，也需要對高空飛艇在總體、氣動、結構強度、飛行控制等方面存在的難點問題進行認真梳理和研究，對其存在的內涵問題進行更科學地認識，借此提出合理可行的解決思路。