高空飛艇面臨的幾項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)

高空飛艇是依靠浮力升空、動(dòng)力推進(jìn)，并攜帶任務(wù)載荷，在特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)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(shí)間長(zhǎng)、可重復(fù)使用等使用特點(diǎn)，因此，高空飛艇可執(zhí)行長(zhǎng)航時(shí)對(duì)地觀測(cè)、戰(zhàn)略預(yù)警、區(qū)域監(jiān)視、通信中繼等使命任務(wù)，是我國(guó)未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)品，世界上許多國(guó)家都在積極發(fā)展。

高空飛艇也是一種高技術(shù)、高創(chuàng)新、高難度的浮空飛行器，具有各系統(tǒng)緊密耦合、相互制約，重量體積巨大，質(zhì)量、慣量變化顯著，熱力、動(dòng)力耦合嚴(yán)重等特點(diǎn)。高空飛艇的研制更是一項(xiàng)復(fù)雜的航空系統(tǒng)工程，它涉及總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、能源、動(dòng)力推進(jìn)、飛行控制、航空電子、巨型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及成型工藝等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。從目前世界各國(guó)高空飛艇發(fā)展現(xiàn)狀以及多個(gè)高空飛艇項(xiàng)目不斷調(diào)整或取消研制計(jì)劃來(lái)看，高空飛艇還面臨著諸如總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成、特殊氣動(dòng)問題、飛行控制、氣囊材料、能源、動(dòng)力推進(jìn)等多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。下面主要針對(duì)高空飛艇面臨的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及飛行控制等幾項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)論述，并不涉及氣囊材料、能源、推進(jìn)系統(tǒng)等基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品面臨的問題。

氣動(dòng)分析技術(shù)

由于飛艇特殊的外形、結(jié)構(gòu)及所處的復(fù)雜環(huán)境，其空氣動(dòng)力學(xué)特性與傳統(tǒng)的飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性不同，同時(shí)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(jī)也不同。正是由于飛艇與傳統(tǒng)飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)及飛行原理的差異性，使得飛艇的氣動(dòng)分析技術(shù)不能完全借用飛機(jī)的氣動(dòng)分析技術(shù)。

（1）氣動(dòng)特性計(jì)算與分析

高空飛艇一般為軟式或半硬式結(jié)構(gòu)，飛艇外膜在外圍流場(chǎng)作用下會(huì)有較大變形，現(xiàn)有的估算方法已經(jīng)不適用于飛艇。即使將其當(dāng)作剛體，采用常規(guī)的飛機(jī)估算方法也有較大差別。為更好研究飛艇飛行的力學(xué)特性，關(guān)鍵是要能夠了解結(jié)構(gòu)變形與氣動(dòng)力的相互作用。由于目前尚無(wú)統(tǒng)一、合適的柔性體模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，所以只能通過(guò)計(jì)算與分析來(lái)研究柔性體模型與剛體氣動(dòng)力的差異。雖然計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)都已取得很大的成功，但將兩者耦合計(jì)算，仍有很大的挑戰(zhàn)性。如果再考慮飛艇浮力變化、重心變化、大氣環(huán)境變化等，其復(fù)雜程度會(huì)更高。因此需建立全面、準(zhǔn)確的包括大氣環(huán)境、浮力、固體、流體等的多物理場(chǎng)耦合模型。

（2）氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)

無(wú)論是計(jì)算或風(fēng)洞試驗(yàn)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性最終都需通過(guò)飛行試驗(yàn)確定，但直接測(cè)量飛行器的氣動(dòng)特性是非常困難的，比較常用的方法是飛行器的氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)方法。飛艇的氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)建模時(shí)需考慮浮力、附加質(zhì)量、附加質(zhì)量慣性矩以及重心變化等多種因素，因此飛機(jī)的氣動(dòng)參數(shù)識(shí)方法無(wú)法完全適用于飛艇。針對(duì)飛艇需要建立自己的氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)模型；同時(shí)由于飛艇艇身較大，艇身周圍的氣流畸變比飛機(jī)更為嚴(yán)重，因此飛艇所測(cè)的參數(shù)如何消除干擾或?qū)⒏蓴_降至最低，使測(cè)得的參數(shù)可以反應(yīng)飛艇的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比飛機(jī)更為復(fù)雜，因此如何消除艇身等帶來(lái)的干擾是今后氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)重點(diǎn)之一。總結(jié)起來(lái)，飛艇的氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)存在兩方面的工作：建立準(zhǔn)確而全面的參數(shù)辨識(shí)方程和建立精確的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量及修正方法。

（3）飛艇的操縱性、穩(wěn)定性計(jì)算分析及其判別準(zhǔn)則

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于飛艇的操縱性和穩(wěn)定性計(jì)算分析主要還是參考飛機(jī)的計(jì)算分析方法，雖然目前針對(duì)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(duì)飛艇操縱性和穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則還沒有完全一致的標(biāo)準(zhǔn)，需要建立飛艇穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則；同時(shí)如何將一些特殊點(diǎn)引入飛艇的操穩(wěn)計(jì)算中將成為研究的難點(diǎn)，比如飛艇的附加質(zhì)量、附加質(zhì)量慣性矩、重心浮心等的相對(duì)位置關(guān)系、大氣環(huán)境（溫度、壓力、突風(fēng)響應(yīng)、風(fēng)切變）、飛行姿態(tài)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(jì)算出的結(jié)果才能真實(shí)反映飛艇的操穩(wěn)特性。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析技術(shù)

高空飛艇在起飛、巡航和下降過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜大氣環(huán)境的平流層和對(duì)流層，由于高空飛艇體積巨大，長(zhǎng)細(xì)比大，易受大氣風(fēng)場(chǎng)、太陽(yáng)輻射及多物理場(chǎng)耦合影響，導(dǎo)致飛艇姿態(tài)不穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜、飛艇載荷計(jì)算困難，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確。

（1）高空風(fēng)場(chǎng)中艇體結(jié)構(gòu)的載荷計(jì)算

在10～15千米高空的對(duì)流層區(qū)域內(nèi)，水平風(fēng)速最大可達(dá)60米/秒，湍流度約為20%，高空飛艇易遭受大氣湍流（分為連續(xù)突風(fēng)和離散突風(fēng)）影響。由于飛艇結(jié)構(gòu)的特殊性，借鑒飛機(jī)計(jì)算方法的計(jì)算精度低、誤差大。

實(shí)現(xiàn)高空風(fēng)場(chǎng)中飛艇突風(fēng)載荷準(zhǔn)確計(jì)算，需建立和完善高空大氣環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)學(xué)模型；根據(jù)飛艇的大型柔性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需考慮飛艇結(jié)構(gòu)對(duì)突風(fēng)的減緩效應(yīng)，準(zhǔn)確的計(jì)算飛艇突風(fēng)載荷減緩因子；飛艇的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和附加質(zhì)量較大，需建立準(zhǔn)確合理的方法分析附加質(zhì)量對(duì)飛艇突風(fēng)載荷的影響。

（2）高空環(huán)境下飛艇氣/熱/固多場(chǎng)耦合分析

高空的熱環(huán)境包含較多復(fù)雜因素，如太陽(yáng)輻射、紅外輻射、強(qiáng)迫對(duì)流與自然對(duì)流等。運(yùn)行過(guò)程中溫度、壓力和熱等方面的交互影響導(dǎo)致艇體結(jié)構(gòu)性能分析困難。

影響高空環(huán)境下飛艇氣/熱/固多場(chǎng)耦合分析技術(shù)的難點(diǎn)有：一是缺乏高精度、高可靠性數(shù)值計(jì)算方法與定常迭代快速收斂技術(shù)進(jìn)行緊耦合求解分析；二是高效、高質(zhì)量、快速計(jì)算網(wǎng)格生成技術(shù)不成熟，嚴(yán)重影響了計(jì)算效率與精度；三是飛艇氣/熱/固多場(chǎng)耦合分析技術(shù)設(shè)計(jì)的因素多，需要同時(shí)考慮輻射和熱傳導(dǎo)對(duì)結(jié)構(gòu)溫度的影響、氣體流動(dòng)、流體與彈性體之間的熱量傳遞、流體對(duì)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(duì)流體的影響。

（3）艇體結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)分析

高空飛艇慣性大、剛度小、非線性強(qiáng)，使得其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性呈現(xiàn)固有頻率低且密集、結(jié)構(gòu)阻尼非線性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于飛艇結(jié)構(gòu)無(wú)法提供足夠的阻尼，當(dāng)出現(xiàn)激勵(lì)時(shí)飛艇局部甚至整體結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)效的大幅振動(dòng)，危及飛艇結(jié)構(gòu)安全。

艇體結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)分析難點(diǎn)包括：幾何非線性的軟式結(jié)構(gòu)固有動(dòng)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(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析；非線性柔性支撐剛度和連接剛度下硬式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析；非線性柔性支撐剛度和連接剛度下非線性柔性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析以及飛艇結(jié)構(gòu)主要阻尼識(shí)別及阻尼特性分析。

飛行控制技術(shù)

高空飛艇通常采用電傳飛行控制技術(shù)，但與常規(guī)固定翼飛行器相比，其在使用環(huán)境、飛行品質(zhì)及控制律、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等方面有其自身特點(diǎn)。高空飛艇的飛行控制技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）高保真運(yùn)動(dòng)建模技術(shù)

高保真運(yùn)動(dòng)模型是飛行控制律設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。相比固定翼飛行器，飛艇的運(yùn)動(dòng)建模技術(shù)發(fā)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(jīng)驗(yàn)試飛數(shù)據(jù)。飛艇建模的難點(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是飛艇的外形和結(jié)構(gòu)通常是不一樣的，而流體慣性力直接取決于外形，氣囊結(jié)構(gòu)（如囊體內(nèi)氣動(dòng)的移動(dòng)、副氣囊的充放氣等）則會(huì)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(shù)量小、投入少，并沒有足夠的試飛測(cè)試數(shù)據(jù)做支撐，導(dǎo)致理論運(yùn)動(dòng)模型的準(zhǔn)確性難以評(píng)價(jià)，也就無(wú)法修正并形成高保真的運(yùn)動(dòng)模型。

（2）強(qiáng)魯棒盤旋定點(diǎn)控制技術(shù)

盤旋定點(diǎn)控制技術(shù)包括高度控制和位置控制兩個(gè)方面。高度控制的難點(diǎn)在于飛艇凈浮力是隨氣體溫度不斷變化。而在實(shí)際飛行過(guò)程中，溫度變化通常未知，因而在高度控制過(guò)程中，始終存在凈浮力變化的擾動(dòng)，若不采取切實(shí)有效的控制策略，將會(huì)導(dǎo)致實(shí)際飛行高度發(fā)生非常大的波動(dòng)。盤旋定點(diǎn)控制的主要任務(wù)是引導(dǎo)飛艇以適當(dāng)?shù)暮较蚪呛退俣仍谔囟ㄎ恢眠M(jìn)行飛行，此過(guò)程中，需要適應(yīng)不同的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境。飛艇設(shè)計(jì)的最大飛行速度通常不會(huì)超過(guò)40米/秒（無(wú)風(fēng)時(shí)）。因此，一旦疊加上風(fēng)的影響，對(duì)飛艇運(yùn)動(dòng)的影響都是顯而易見的，外加上定點(diǎn)區(qū)域的限制，無(wú)形中增加了盤旋定點(diǎn)控制的難度。

結(jié)束語(yǔ)

高空飛艇的研制是一項(xiàng)技術(shù)難度大、集成度高、極具挑戰(zhàn)性的航空系統(tǒng)工程。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家都在致力于高空飛艇的發(fā)展，但總體上仍處在探索性研究和試驗(yàn)驗(yàn)證階段。國(guó)內(nèi)也非常重視高空飛艇的研發(fā)，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》明確要求：重點(diǎn)發(fā)展基于衛(wèi)星、飛機(jī)和平流層飛艇的時(shí)空協(xié)調(diào)、全天候、全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，自2010年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)啟動(dòng)實(shí)施以來(lái)，在高空飛艇項(xiàng)目研究方面，進(jìn)行了大量關(guān)鍵技術(shù)的理論分析研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了一定的進(jìn)展，但總體技術(shù)水平與國(guó)外還有一定差距。

如何快速占領(lǐng)這一國(guó)際戰(zhàn)略新興的制高點(diǎn)，促進(jìn)我國(guó)高空飛艇研制和應(yīng)用的發(fā)展，不僅需要依托制約高空飛艇發(fā)展的氣囊材料、太陽(yáng)能電池及再生燃料電池等基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展，也需要對(duì)高空飛艇在總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、飛行控制等方面存在的難點(diǎn)問題進(jìn)行認(rèn)真梳理和研究，對(duì)其存在的內(nèi)涵問題進(jìn)行更科學(xué)地認(rèn)識(shí)，藉此提出合理可行的解決思路。

（作者系中航工業(yè)首席技術(shù)專家、中航工業(yè)特種飛行器研究所總工程師）