簡述平流層飛艇平臺的重要技術(shù)

摘要：平流層飛艇平臺只有在材料、結(jié)構(gòu)、動力、導(dǎo)航和控制等領(lǐng)域提出創(chuàng)造性的技術(shù)解決方案，才能在各種氣候條件下定點在高空為人們提供長期、穩(wěn)定的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：飛艇;技術(shù);解決方案

平流層飛艇平臺與低空飛艇和其他飛行器在關(guān)鍵技術(shù)上面有很大不同，平流層飛艇平臺的研制被認(rèn)為是世紀(jì)初的超級技術(shù)難題。

1材料技術(shù)

普通飛艇的外蒙皮外膜通常是由聚醋材料制成的，雖然聚醋材料有良好的性能，但其強度重量比決定了它并不適用于平流層飛艇。由于在平流層空氣稀薄、浮力小，因此具有輕質(zhì)高強度的材料是平流層飛艇長期駐空必不可少的條件同時還必須對氦氣的密封性好，并且能夠抗紫外線、抗老化，適應(yīng)平流層的大氣環(huán)境。在材料技術(shù)方面，日本研制的膜材走在了世界的前列。

日本開發(fā)的構(gòu)成平流層飛艇外膜的機能材料通常包括基布、氣體隔離材料和保護(hù)材料。基布是保持飛艇內(nèi)壓，并確保強度的材料所使用的素材是聚苯炳惡腔纖維和聚芳酷纖維兩種，與鋼材相比剛度更大，而抗拉強度也很高。要制成尺寸巨大的飛艇外膜，必須采用快速的焊接技術(shù)，可以考慮高頻和熱融焊接。另外，在平流層底部，晝夜溫差很大，各種射線也很多，因此，飛艇外膜的反射與吸收特性也很重要。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

平流層飛艇包括外膜、龍骨、氦氣囊、尾翼以及推進(jìn)裝置等部分。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證飛艇滿足各種性能要求的前提。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要考慮的應(yīng)是如何使飛艇變的“更輕”，另外，還要考慮飛艇的穩(wěn)定性、機動性及抗風(fēng)性能等。目前，各國采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案都不相同，但從減小阻力系數(shù)以及操縱性方面考慮，大多采用橢球體形狀。為保持形狀，飛艇中大多充有增壓空氣，壓強略高于外界。艇身下方一般裝有吊籃，可以作為運輸、監(jiān)控等的平臺。飛艇尾部尾翼大多為形或形，尾翼上帶有升降舵和方向舵等航空控制舵面。由于尾翼的大小及形狀關(guān)系到飛艇的穩(wěn)定性以及控制性能，研究表明，形尾翼具有最好的穩(wěn)定性，大部分采用這種形狀，形尾翼具有較好的控制性能。

3能源技術(shù)

對于平流層飛艇來說，如何長期提供源源不斷的能量是其動力系統(tǒng)所面臨的最大挑戰(zhàn)。這只有通過發(fā)展先進(jìn)的能源技術(shù)來解決。目前，平流層飛艇平臺采用的能源技術(shù)解決方案主要有兩種一種是太陽能電池結(jié)合蓄電池來提供能量，另一種是太陽能電池和再生燃料電池共同儲存和提供能量。第一種方案具體應(yīng)用時，是由太陽能電池在白天把光能轉(zhuǎn)化為電能，并在提供連續(xù)電能的同時，對蓄電池進(jìn)行充電，到了夜晚再由蓄電池供電。第二種方案同樣是由太陽能電池在白天完成光能到電能的轉(zhuǎn)換，但同時還利用電解將燃料電池產(chǎn)生的水轉(zhuǎn)變成氫和氧，到了夜間，燃料電池就利用儲存的氫和氧產(chǎn)生電能和水，并將產(chǎn)生的水儲存下來以用于下一個電解周期。太陽能電池和再生燃料電池盯都是可以直接產(chǎn)生電能的綠色能源技術(shù)，具有效率高、無污染、可長期使用等特點，但在平流層實際使用時，還必須考慮輕便、高效和可靠性等諸多因素。

4控制技術(shù)

4.1壓力控制

平流層飛艇是充氣的柔性體，需要通過壓力控制使其在飛行過程中保持內(nèi)外壓力平衡，從而保持整個飛艇的外部形狀。一般通過對飛艇內(nèi)部的空氣囊進(jìn)行充放氣來實現(xiàn)壓力控制。在飛艇上升期間，外部壓力降低，為避免飛艇外形過渡膨脹而引起爆裂，就需要通過差壓閥門放氣以保持內(nèi)外壓力平衡。在飛艇下降過程中，隨著高度降低，外部壓力增加，則需要打開鼓風(fēng)機進(jìn)行充氣，維持差壓。在定點時，由于溫度變化，也會使飛艇內(nèi)部壓力發(fā)生變化，從而影響飛艇外形，也需要通過壓力控制來維持內(nèi)外壓力平衡。

4.2姿態(tài)控制

飛艇轉(zhuǎn)彎和爬升都需要姿態(tài)控制來實現(xiàn)。飛行姿態(tài)控制包括俯仰姿態(tài)控制和偏航姿態(tài)控制。平流層飛艇姿態(tài)控制主要有控制舵面角偏轉(zhuǎn)來調(diào)整俯仰和偏航角控制頭、尾兩端的空氣囊充氣或放氣來調(diào)整俯仰角通過調(diào)整推力的方向及大小來改變姿態(tài)等。

4.3定點控制

定點的概念是指在長期駐空過程中，平流層飛艇能夠在指定的范圍內(nèi)保持相對地面靜止。由于在駐空期間，飛艇往往會受到風(fēng)、熱氣流以及晝夜溫度變化等各種擾動而偏離原來的位置。因此必須采用相應(yīng)的控制策略，使飛艇在這種情況下能夠自動的回歸到定點位置并保持靜止。

4.4溫度控制

平流層的晝夜溫差很大，分析表明，由于太陽能電池吸收效率低，溫差造成艇體內(nèi)部氣體溫度和壓力變化，繼而影響到飛艇的外形和浮力，造成飛艇的高度漂移、姿態(tài)變化和抗風(fēng)能力下降等。在這方面，日本的進(jìn)行了深入研究，給出了熱解析評價的結(jié)果，為研究溫度變化對飛艇的影響提供了方法和依據(jù)。

5結(jié)語

平流層飛艇平臺的廣闊應(yīng)用前景越來越引起世界各國的關(guān)注，只有在材料、結(jié)構(gòu)、動力、導(dǎo)航和控制等領(lǐng)域提出創(chuàng)造性的技術(shù)解決方案，能在各種氣候條件下定點在高空為人們提供長期、穩(wěn)定的服務(wù)。

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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

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽 合肥 230031）