淺談浮空器浮升氣體的性能對比描述

摘 要：浮空器是一種主要利用輕于空氣的氣體產生靜升力而克服自身重力的飛行器，不同浮升氣體的特性各不相同，本文主要對氫氣、氦氣、甲烷、熱空氣和水蒸氣在安全性、經濟性、易得性和易操作性等方面進行綜合對比分析。

關鍵詞：浮空器;安全性;經濟性;易得性;易操作性

引言

浮空器是一種主要利用輕于空氣的氣體產生靜升力而克服自身重力的飛行器，包括飛艇、系留氣球、系留艇和自由飄氣球等。本文所論述的浮升氣體即浮空器內輕于空氣的氣體。從理論上說，只要氣體的密度小于周圍大氣的密度，即可作為浮空器的浮升氣體。因此，有兩類氣體可滿足此要求：輕質氣體和熱氣。輕質氣體有氫氣、氦氣、甲烷、氨氣、天然氣和煤氣等，熱氣主要有熱空氣和水蒸氣。不同浮升氣體的特性各不相同，下面主要對氫氣、氦氣、甲烷、熱空氣和水蒸氣在安全性、經濟性、易得性和易操作性等方面進行綜合對比分析。

1 安全性對比

上述5種浮升氣體的安全性對比。可以看出，氦氣為惰性氣體，且一般在常溫下使用，安全性最好;熱空氣和水蒸氣均為不可燃高溫氣體，安全性僅次于氦氣;由于水蒸氣冷凝時會放出大量的熱，更容易灼傷人體，因而認為熱空氣的安全性稍優于水蒸氣;甲烷和氫氣均為易燃易爆氣體，當其在與空氣的混合氣中的體積比例在一定范圍內時就會燃燒甚至爆炸，氫氣燃燒（爆炸）極限范圍比甲烷更寬，說明氫氣比甲烷更易燃燒或爆炸，且甲烷對人產生麻痹作用的體積濃度下限也高于氫氣的燃燒（爆炸）下限，因此，甲烷的安全性優于氫氣。

從上述分析可知，5種浮升氣體的安全性依次為：氦氣>熱空氣>水蒸氣>甲烷>氫氣。

2 經濟性對比

本文主要對比分析不同浮升氣體的使用經濟性，對于采用不同浮升氣體而導致的研制成本的差異，本文暫不論證。常溫的氫氣、甲烷和氦氣可從市場采購后直接使用，水蒸氣和熱空氣需要將水或空氣加熱到約10℃以上再使用，主要考慮加熱和保溫所需能源消耗成本。盡管氦氣可回收重復使用，但價格十分昂貴，且不易壓縮、極難液化，壓縮回收過程需要消耗大量能源，且多次回收后的純度會下降導致比浮力下降，而氦氣提純設備非常昂貴且效率低下，故氦氣重復使用的次數也很有限。

因此可認為，產生同樣凈浮力的浮升氣體成本依次為：水蒸氣<氫氣<甲烷<熱空氣<氦氣。當浮空器工作時間較短時，使用經濟性依次為：水蒸氣>氫氣>甲烷>熱空氣>氦氣。當浮空器工作時間較長時，若采用水蒸氣和熱空氣作為浮升氣體，為了維持要求的溫度需要消耗大量能源，因此，較長時間使用經濟性依次為：氫氣>甲烷>水蒸氣>熱空氣>氦氣。

3 易得性對比

（l）熱空氣易得，可現場制備;升空前可利用地面能源快速加熱空氣。但考慮到加熱空氣的效率和熱交換效率等因素，一般直接使用燃料燃燒產生的尾氣來替代熱空氣。由于燃燒消耗空氣中的氧氣產生二氧化碳和水蒸氣，航空煤油、汽油、液化氣等燃燒尾氣中二氧化碳和水蒸氣比例接近1：1，天然氣接近1：2，因此尾氣產生的凈浮力與同體積同溫度熱空氣產生的凈浮力基本相同甚至更大，而這種熱氣獲取方法更經濟、更方便可行。

（2）水蒸氣易得，可現場制備。升空前在地面利用高溫蒸汽發生器和水源快速產生高溫水蒸氣充人氣囊;在空中工作時可采用電加熱方式或燃料燃燒與熱交換方式維持水蒸氣的溫度。

（3）氫氣較易得，可直接從市場采購，也可利用氫氣發生器現場制備。

（4）甲烷較易得，可直接從市場采購。

（5）氦氣不易得，難儲存，需提前采購，基本依賴進口，容易受到限制，難以確保長期、大量、穩定的供應。

因此，5種浮升氣體的易得性依次為：熱空氣>水蒸氣>氫氣>甲烷>氦氣。

4 易操作性對比

上述5種浮升氣體中，氫氣的安全性最差，在儲存、運輸和使用過程中都必須嚴格按照相關操作規程，以確保安全;甲烷安全性比氫氣稍好，但也是可燃氣體，且濃度達到25%一30%后會導致人麻痹，使用時也必須十分仔細，才能確保安全;氦氣安全性最好，但因價格昂貴，一般需回收利用，操作相對復雜;熱空氣最易實現地面快速充氣和快速釋放;水蒸氣的操作性比熱空氣略差。

因此，5種浮升氣體的易操作性依次為：熱空氣>水蒸氣>氦氣>甲烷>氫氣

5 綜合對比

經過以上分析，可對5種浮升氣體的性能進行綜合對比，5種浮升氣體在各項性能方面各有優缺點，綜合比較甲烷綜合性能最差;實際使用中要針對不同應用場景進行選擇，當然還可考慮不同浮升氣體組合使用，以達到取長補短、優勢互補的效果。比如氦氣具有浮升效率高、安全性好的優點，但屬于稀缺資源，供應容易受限，尤其是在軍事上的應用必然受到限制，從浮空器的長遠發展考慮，必須考慮氦氣之外的浮升氣體的實際應用。本文對各種浮升氣體性能進行了綜合對比分析，認為廉價、易得的氫氣和熱氣在浮空器上的應用將是浮升氣體的發展趨勢。

參考文獻

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作者簡介：葉彬彬（1990.5—）初級工，安徽長豐人，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究