[科普中国]-平流层飞艇

工作原理

平流层飞艇是一种轻于空气的浮空器，依靠空气浮力驻空，由太阳能为其提供能源动力，并带有推进系统，具有不依赖机场或跑道可实现垂直起降、能悬停于任意地理位置上空，运行高度超出空管范围，不受对流层恶劣天气影响，可全天侯全天时连续工作，特别适合我国国土与边境地区的对地观测应用。2

技术要求1、无故障连续工作时间不少于7天；

2、巡航时单台发动机额定输出功率>40kw；

3、最大抗风30m/s；

4、高度偏差范围为±1000m。

平流层飞艇共需4台发动机，3副拉力桨，1副推力桨，均为变距桨，其中左、右两副拉力桨可产生推力矢量。每台发动机还需直接驱动1．2kw的交流发电机、0．6kw变距机构的调速器。每台发动机的输出法兰盘上有双槽皮带轮，一条用来传动艇用发电机，另一条用来传动鼓风机，发电机与鼓风机就近安装在发动机的附近，两边实行对称安装。3

气动布局目前世界上研制平流层飞艇多使用以下几种布局形式：单囊体布局、混合式(浮升组合式)布局、V形布局及组合式布局，各种布局的基本特点以及其在国外的应用情况如下。

单囊体布局单囊体布局是一种较传统的飞艇布局形式，也是目前平流层飞艇方案设计中采用最多的布局形式——日本平流层飞艇、英国ATG公司平流层飞艇、美国洛克希德-马丁公司平流层飞艇等方案均采用的是单囊体布局形式。

单囊体布局又可以细分为两种：常规单囊体布局与尾部收缩单囊体布局。采用常规单囊体布局的平流层飞艇在形状上与普通低空飞艇并没有太大的区别——它们只是为了减阻方面的需求而使主气囊最大截面比较靠后，如日本平流层飞艇最大截面位于主气囊总长约40%的位置，而ATG公司的平流层飞艇方案最大截面更位于50%～60%之间。

尾部收缩单囊体布局是平流层飞艇进行层流囊体设计的结果，其纵向剖面外形类似于大厚度的层流翼型，即最大横截面相对靠后，前部曲线平坦，以保证囊体表面尽可能长的层流区域；最大截面往后曲线收缩较剧烈，在尾部缩聚成接近柱形，通过尾部螺旋桨的抽吸作用保证尾部不发生大面积的气流分离，降低飞艇阻力。美国洛克希德·马丁公司平流层飞艇方案、欧洲航天局平流层飞艇方案等多个平流层飞艇方案均采用这种布局形式。3

混合式布局目前混合式布局(即浮升组合式布局)正逐渐被人们看重，它把纯浮式飞艇和升力翼面结合起来，利用主气囊升力面产生的动升力和气囊内的氦气产生的浮力共同作用平衡飞艇重量。研究中的未来运输飞艇——英国ATG公司的“天猫”系列和美国“海象”巨型军用飞艇均采用这种布局形式。在平流层飞艇中，美国sanswire Networks公司的stratell沁飞艇就是采用这种布局形式。3

V形布局V形布局也是一种非常规的平流层飞艇布局形式，目前采用V形布局的高空飞艇主要是美国JP宇航公司的“攀登者”飞艇。根据现有的资料来看，V形布局飞艇是将两条长条形的囊体成一定角度在头部连接而成，囊体内部采用轻质复合材料骨架结构加强；飞艇无尾翼；两条囊体内侧布置推进器作为飞艇的动力并提供矢量力矩。3

组合式布局组合式布局是采用模块化的设计将多个较小体积的飞艇按照一定的顺序连接起来形成一个整体的布局形式。目前世界上采用组合式布局的高空飞艇方案总共有两种：美国JP公司的“黑暗空间站”近太空飞艇系统和德国“Air wo瑚”组合式飞艇平台。3

推进系统一般飞艇的推进系统包括三个部分——能源、动力和推进器。能源可以来自航空燃油、燃料电池、太阳能等，动力可以采用燃油发动机或电动机，推进器可以是螺旋桨或涡轮风扇等。由于螺旋桨质量轻，而且在驱动低速飞行器时非常有效。目前，平流层飞艇概念设计方案多采用电动机一螺旋桨的组合推进方式。电动机的能源可能来自内燃机(如涡轮发电机等)、蓄电池(如燃料电池、锂电池等)、太阳能、接收微’波/激光脉冲的能量。

现阶段，平流层飞艇演示验证艇一般采用常规燃油机一螺旋桨推进系统或电动机一螺旋桨推进系统。4

燃油机-螺旋桨这种组合由航空发动机和螺旋桨构成，广泛应用于客机(要求经济性好)、运输机(要求推力大，经济性好)、飞艇等航空飞行器。经过一个世纪的发展，这种组合推进模式技术较为成熟。现有的较为先进的燃油发动机有：涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机等。

平流层飞艇直接使用燃油发动机作动力有以下缺点：

(1)平流层大气密度小，一般的燃油式发动机无法正常工作；

(2)飞行耐久性受携带油量的影响，很难满足长期驻空的要求；

(3)使用过程中油量不断减少，需要携带压舱物，增加了起飞重量，减少了有效载荷重量；

(4)还需单独的电源系统为艇上其他设备，如舵机、电台以及有效载荷等提供电力。4

燃油机-发电机-电动机-螺旋桨这是一种处于燃油推进向电动推进过渡的混合动力推进系统。这种推进系统在使用时，由燃油发动机带动发电机发电，然后通过电动机直接驱动螺旋桨进行推进。

为验证电驱动系统，以及考虑为艇上其他用电设备提供能源，韩国、日本等国的平流层演示验证艇均使用了这种推进模式。

(1)韩国KARI 50米级无人试验飞艇

韩国KARI(Korea Aerospace Research Institute)现已完成了50米级的无人飞艇全系统的飞行测试验证。该飞艇最大直径为12．5m，囊体的总容积为4000m3。发动机、燃料、发电机以及负载设备等安装在位于飞艇下部的外置吊舱内。由两个电机分别驱动位于艇体两侧靠近重心位置的定螺距螺旋桨推进器，推进器可以土120°倾转以提高飞艇的控制能力。

(2)日本平流层飞艇缩比演示艇

该演示艇总长度24．2m，直径6．5m，体积501m3。第一阶段试验中使用了燃气轮机发电的电机驱动位于吊舱两侧的推进器，每个发动机可以上下倾转。电机由美国动力技术公司制造，螺旋桨推进器为一套用复合材料制造的三桨叶涵道螺桨。日本宇宙航空研究开发机构的下一个目标是增加综合技术验证试验，改进定位保持精度和增加续航时间，计划制造一个150m长的飞艇，采用三个发动机。4

太阳能-电动机-螺旋桨该系统是当前国内外平流层飞艇概念设计中主要采用的推进方式。系统由太阳能薄膜、可再生燃料电池、电动机、螺旋桨构成。白天太阳能薄膜电池产生电能驱动螺旋桨及其他负载设备，并将多余的电能储存在可再生燃料电池以供晚上使用。4

发展概况目前世界上很多国家均已着手研究平流层飞艇平台，进度较快的已经进人了 试验试飞阶段。已经开始研究的平流层飞艇平台有日本平流层飞艇、英国ATG公司平流层飞艇StratSat、美国NORAD方案、美国JP公司的“攀登者”飞艇、美国Sanswire Networks公司的Stratellite飞艇、美国洛克希德·马丁公司平流层飞艇方案、美国Sky Station平流层飞艇方案、欧洲航天局平流层飞艇方案、韩国平流层飞艇方案等。其中日本平流层飞艇进度最快，已有资料表明，日本已经进入了平流层的底部，进行了十几千米高空的平流层试验飞艇的试飞。其他如美国的“攀登者”飞艇、Stratellite飞艇等据称也开始进入了试验、试飞阶段。3

应用场景平流层飞艇可广泛应用于国土资源观测、海洋监测、环境保护、防灾减灾、精细农业、水利监测、大地测绘、城市规划与管理等方面，对推动区域协调发展，统筹城乡发展，推进社会主义新农村建设、加强能源资源节约和生态环境保护、增强可持续发展能力、优化国土开发格局等发挥重要作用，对促进国民经济发展具有重要意义。

随着现代航空航天技术的发展,以及新的军事技术革命的进展,战场态势变得越来越复杂。目前各国已意识到,防空的瓶颈是尽早发现和跟踪目标,浮空器就是一种用来探测、跟踪军事目标的好平台。平流层飞艇就是一种浮空器所谓浮空器是指一种轻于空气的航空器,它的大部分升力来自于气囊内轻于空气的气体(一般为氦气)所产生的浮力。从大的方面讲,浮空器分为两类:一类是气球,一类是飞艇。气球没有动力装置,主要依靠风力进行水平飞行,或用缆绳系留在地面设施上,分别称为空飘气球和系留气球;飞艇则是自带动力装置的浮空器,依靠发动机提供的推力进行水平飞行。如果关掉发动机,它就等同于一个空飘气球。飞艇按其高度可分为对流层和平流层飞艇。对流层的飞行高度一般在8000米以下,可以是有人驾驶或遥控飞行;平流层飞艇一般在25000米左右的高空飞行或悬停,一般采用遥控或自主控制相结合的控制方式。目前,低空飞艇已经广泛应用于海洋研究、抢险救灾、城市交通管理等民用领域。相对于对流层飞艇,平流层飞艇既是科技水平很高的一代飞艇,也是当代军事需求十分迫切的一代飞艇。5

2015年我国自主研发的平流层飞艇“圆梦号”进行了首次试飞，为实现平流层飞艇的长时间飞行，来自北京航空航天大学100人的科研队伍所研发的高强材料可抵抗平流层飞艇的高压差，并将飞艇骨架、螺旋桨、支架设计至极限轻度。1

在平流层飞艇的研发方面，我国有数家研究机构和企业参与国家研发计划，具有一定的技术和工业基础，为低空巨型飞艇技术的发展储备了一定的人才和技术条件。目前，达天飞艇公司作为从事载人、无人、系留、载重飞艇一体化研究、生产和运营的综合性企业，在每年投入数百万元研发费用的基础上，集中相关专业人才和技术，填补了国防科技方面的空白。

达天飞艇对平流层开发工作的基础是基于实践国家中长期科技发展规划重大专项的论证技术思路、对飞艇多年的认识和理解，以及长时间参与低空飞艇设计制造、飞行工作的经验积累。设计中尽可能展示平流层飞艇的关键技术和指标，利用成熟的达天飞艇多年积累的低空飞艇设计和制造技术，以达到对平流层飞艇系统关键技术探索的目的。新型飞艇的好处显而易见，它可以重复使用，人们通过遥控能回收飞艇，从而再对这些飞艇进行检修，然后放飞它再让它去执行新的任务。而飞艇在天上停留的时间绝不亚于人造卫星。这些飞艇可以作为地面通信的中继站，并可能在未来服务于地面的移动通信业务。它们还能远远地漂浮在一些人口稠密地区的上空，作为发送广播的有效空间工具。除此之外，平流层飞艇能担负地球勘探、勘测以及天文研究等重任，还可以监测天气及环境的变化，甚至用于报告交通路况。