淺談平流層飛艇發展現狀

摘要：綜述了國內外平流層飛艇研制的進展與現狀，重點描述了平流層飛艇技術難點的情況。

關鍵詞：平流層飛艇;總體設計;發展

0 引言

平流層是指海拔高度為10～55km的大氣空間，處于對流層與中間層之間，氣流相對平穩，垂直對流小，是部署空中平臺執行監視預警、通訊中繼、導航定位以及環境監測等任務的比較理想的環境。平流層飛艇能完成太陽能飛機所無法完成的定點飛行和長時間迎風駐留等飛行任務。正因為平流層飛艇具有可定點飛行、留空時間長、探測范圍廣、載荷能力強和費效比高等優點，多個國家正在開展對平流層飛艇的研究與驗證。

1 國內外現狀

1.1國外發展現狀

自21世紀初，美國、日本以及歐洲等主要發達國家和區域均提出了平流層飛艇計劃。美國為了彌補戰時信息保障過度依賴天基平臺的弱點，同時大幅度提升持久區域信息作戰能力，近年來投入巨資支持了多項平流層飛艇研發項目，包括洛克希德馬丁公司的高空飛艇項目、探測器與結構一體化飛艇項目和西南研究院的高空哨兵飛艇項目等。

日本在2000年就提出了長遠的、分階段實施的平流層飛艇開發計劃。日本宇宙航空研究開發機構組織實施并開展了無動力驗證飛行和多次低空技術驗證試飛，積累了大量技術經驗，但尚未有開展飛行樣機整體集成和高空試飛演示的報道。

2005年3月，歐盟集中歐洲各國的相關研究機構和公司，啟動了“面向特殊航空航天應用的高空飛機和高空飛艇研究項目”。

1.2國內發展現狀

中國對平流層飛艇的研究，始于“十五”期間，多個高校和研究所參與了方案論證、關鍵技術攻關等基礎性研究。2009-2012年，北京航空航天大學先后4次完成20km以上平流層高度飛行驗證，取得了初步成果。2015年8月，航天科工一院與六院、〇六八基地聯合開展直徑30m囊體的飛行試驗，飛行高度超過20km。2015年9月，上海交通大學開展了新型囊體結構的高空飛行試驗，試驗飛行時間2h，飛行高度19.3km，驗證了非常規形態升空、回收方式的可實現性。

2 平流層飛艇技術難點

平流層飛艇總體布局的設計難點主要包括艇囊外形、尾翼問題和副氣囊3個方面。

2.1艇囊外形

艇囊外形決定了飛艇的體積和氣動特性，蒙皮材料強度直接限制了常規流線形囊體的最大體積和載重能力。為緩解或解決該問題，國內外多個機構進行了大量的探索研究。1）立足當前蒙皮材料技術，采用常規流線形布局發展小載荷飛艇;隨著纖維強度提高，逐步增加載荷能力。該方案的優點是系統規模小，能源消耗少，成本較低，特別適用于技術驗證飛艇，同時與載荷設備小型化、分布式載荷等技術發展趨勢相一致;不足是載荷能力受限，能源供應受限，系統擴展能力受限，高強度纖維技術發展緩慢影響技術升級周期。2）在流線形艇囊結構上，通過艇囊結構優化設計增加艇囊耐壓能力，如飛艇外圍布置單向或雙向加筋結構、網罩加筋結構和局部環向增強等。這是在當前技術條件下，改善蒙皮受力并解決囊體超壓問題的較為可行的研究方向。

2.2尾翼問題

對于常規飛艇而言，尾翼安定面是保持飛行氣動穩定性的主要辦法。而平流層飛艇飛行速度較低，通常不超過30m/s，同時由于大氣密度低，飛艇的尾翼安定面的效率降低，流線形旋成體自身氣動發散力矩較大，很難通過尾翼保持飛艇的氣動穩定性。即如果要保持穩定性，需要極大的尾翼面積，這對系統重量、前飛推力和囊體強度都提出了極高要求。在高空飛艇尾翼設計時，需要對尾翼面積、安裝位置、氣動效率和靜穩定范圍等進行詳細核算;考慮到系統重量，適當降低對尾翼尺寸和對氣動穩定性的過高要求是比較現實的;完全無尾翼布局可顯著降低飛艇阻力，可采用主動控制的辦法解決無尾翼飛控難題。

2.3副氣囊

副氣囊是低空軟式飛艇的標準配置，可以起到調姿、調壓、維形的作用。巨大體積的副氣囊重量大，外形難以控制，尤其是經過地面到高空的升空過程，副氣囊容積減小很多，皺褶的副氣囊蒙皮隨機疊壓堆積，很容易引起飛艇姿態偏離預期;副氣囊的蒙皮滑移也會加劇飛艇姿態發散。解決副氣囊蒙皮堆積問題的難度比較大，目前提出了幾種不同的解決方案，從上到下依次為：①采用多組繩網將副氣囊限定在一定區域內，阻止其在收縮過程中滑移;②副氣囊主要區域布置在艇首和艇尾，輔助索網固定，以降低副氣囊收縮時蒙皮滑移的幅度;③副氣囊內部增加彈性索網結構，副氣囊蒙皮采用彈性材質制備;④采用柱形副氣囊，將副氣囊上下分別固定在艇囊頂部和底部，輔助加筋，既可減小滑移幅度，也可輔助傳遞浮力;⑤化整為零，布置多組小副氣囊，每個小副氣囊單獨限位或者互相限位，類似蜂窩布置;⑥氦氣囊與副氣囊互換，在頂部內置柔性氦氣囊，柔索輔助定位，艇囊內充空氣，駐留時氦氣囊膨脹到最大，避免蒙皮滑移，低空時氦氣囊處于懸掛狀態，擺動引起的姿態變化相對較小。

3 結論

平流層飛艇研制是一項極為龐大的系統工程，各國正處于積極探尋階段。相信在優勢單位聯合攻關下，在眾多科研人員共同努力下，中國的平流層飛艇進入工程實用階段指日可待。

參考文獻

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[2]郭虓;綜合熱力學模型的平流層飛艇上升軌跡優化[J];北京航空航天大學學報;2018.1

[3]王彥廣;平流層飛艇技術發展及其應用前景展望[J];衛星與網絡;2018.4

作者簡介：單衛光，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究