浅谈浮空器平台在预警监视领域应用

摘 要：飞艇是具有推进装置的浮空器，由艇体、尾翼、吊舱和推进装置等部分组成。推进装置包括发动机、减速器和螺旋桨，为飞艇提供前进动力。其关键技术涉及材料、结构、能源、控制技术等方面。控制技术包括动力控制、压力控制、姿态控制、定点控制、温度控制等。

关键词：平流层;飞艇;关键技术

1 飞艇平台概述

飞艇是具有推进装置的浮空器，由艇体、尾翼、吊舱和推进装置等组成。推进装置包括发动机、减速器和螺旋桨，为飞艇提供前进动力。控制飞艇升降的方法有多种，如抛掉水或沙袋等压舱物或冷却回收发动机尾气中的水分补充压舱物;经排气门放掉一些气体或用储气罐补充气体;操纵螺旋桨转向，改变推力矢量方向产生垂直方向的升力等。

2 平流层飞艇平台发展现状

美国对于平流层飞艇平台的探索较早，最先提出飞艇平台概念。美国 Sky Station International（SSI）公司首先提出轻于空气的高空平台计划。ANGEL TECHNOLOGIES 与 SKYSAT 公司基于不同技术进行平流层平台的研制。Lockheed Martin 公司的核心工作是开发宇航、航空技术装置及进行系统综合，该公司与其他公司于 1998 年开始进行可行性研究，完成后，进入验证飞艇的组装、试验阶段。

日本对平流层飞艇平台的研究也起步较早，由于政府大力支持，已取得丰硕研究成果，在诸如材料、能源、结构设计、控制及热解析等多项关键技术方面走在世界前列。进入新世纪，日本实施了“千年计划”，即从2000年开始，在系统及关键技术基础上，开发平流层飞行试验艇和低空定点试验艇。

3 平流层飞艇平台的关键技术

3.1 材料技术

飞艇所处环境要求艇体的材料与一般飞行器不同，飞艇艇体结构所使用的轻质、高强度材料，必须具备：轻质且高强度，抗老化，抗紫外线;对氦气密封性好;能适应平流层大气环境。在高海拔，由于浮力小，若要使机体规模小，则需轻质高强度膜材，浮力小和机体规模小是长滞空不可缺少的条件，故单一素材很难满足，须开发具有多性能的薄膜素材组合而成的积层膜。目前，日本在研制飞艇材料方面较先进。构成平流层飞艇外膜的材料通常包括基布、气体隔离材料和保护材料。基布是保持飞艇内压，确保强度的材料，由聚苯炳恶脞纤维（PBO）和聚芳酯纤维（PA）组成。

3.2 结构设计

目前，飞艇结构有硬式、半硬式和软式 3 种。半硬式飞艇采用氦气囊和飞艇的外蒙皮双重结构，通过氦气囊和外蒙皮间的空间，在氦气囊的外部设有一定压力的空气层，以减少氦气的慢性泄漏。采用设置多个氦气囊方式，可防止在局部发生氦气泄漏时发生飞艇因丧失浮力而急速坠落。为减小阻力，大多飞艇平台系统采用椭球体流线型。此外，飞艇尾部有“×”字形或“+”字型的升降舵和方向舵等控制舵，以控制升降及完成各种运动

3.3 能源技术

平流层能否长年累月地提供连续电能是关键。目前，采用的能源技术有两类：① 太阳能电池结合蓄电池提供能量，该电池通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能。白天把光能转化为电能，并在提供连续电能的同时，对蓄电池进行充电，到了夜晚，再由蓄电池供电;② 太阳能电池和再生燃料电池（RFC）共同存储和提供能量。再生燃料电池是化学电池，有两个系统：① 燃料电池，含氢和氧的电化学反应产生电能和其副产品—水;② 电解，利用外部能量发生电化学反应，使燃料电池产生的水再次转变为氢和氧。对 RFC 技术，美国联合技术公司（UTC）处于世界领先地位。

3.4 控制技术

（1）动力控制

平流层飞艇要实现长期定点，需利用发动机作为动力装置带动螺旋桨，以对抗风的擾动。由于飞艇所处的环境比较复杂，扰动随机且大小不定，因此，要求控制系统实时做出检测，以调整螺旋桨的转速及偏航角等来控制飞艇的平衡。所以，飞艇的动力控制要求解决高空环境下航空发动机及能量装置的控制算法等问题。

（2）压力控制

压力控制一般通过对飞艇内部的空气囊充放气来实现。在飞艇上升期间，外部压力低，为避免飞艇外形过度膨胀引起爆裂，需通过差压阀门放气以保持内外压平衡。飞艇下降过程，随着高度降低，外部压力增加，飞艇内部趋向负压，则需打开鼓风机充气，维持压差。在定点期间，由于昼夜温差的变化，也会使飞艇内部压力改变，从而影响飞艇的外形，以至影响飞艇的平衡，因此也需通过压力控制来维持内外压。

（3）姿态控制

飞艇的转弯和爬升通常利用姿态控制实现，包括俯仰姿态控制和偏航姿态控制。飞艇在升空和回收过程中，要充分考虑各种姿态控制方法，在经过对流层时才能安全、平稳。

（4）定点控制

指驻空过程中，平流层飞艇能在指定的范围内保持相对地面静止。飞艇所处的高空环境很不稳定，经常受风、热气流及昼夜温差变化等各种扰动而偏离原来位置。因此，必须实施相应的控制策略，使飞艇在各种情况下都能自动回到原来位置并保持相对静止。

（5）温度控制

平流层昼夜温差大，引起大气压较大的变化。分析表明，由于太阳能电池吸收效率低，与太阳能电池接触的一面温度起伏范围在 70～100℃ 与-70～-100℃间，温差造成艇体内部气体温度和压力变化，继而影响到飞艇的外形和浮力，造成飞艇的高度漂移、姿态变化和抗风能量下降等。另外，一些机载设备对工作环境温度变化范围也有一定的要求，所以，温度控制也是一项关键技术。

4 结束语

通过对飞艇平台关键技术的分析，可为下一步的控制目标、动力学建模、控制策略等研究打好基础。依目前研究情况，飞艇平台的理论体系与分析方法还不完善，如何更好实现工程应用，还需大量的研究工作有待进一步开展。

参考文献

[1]王先国，竞争向平流层扩展[N]解放军报，2017-06-01（12）

[2]欧阳晋，平流层平台的发展及其自主控制关键技术[J]工业仪表与自动化装置，2017.1

[3]王海峰，高空飞艇定点控制关键技术及解决途径[J]飞行力学，2019，（12）：5-8

作者简介：

袁涛（1987.02—），高级工，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究。