浅谈平流层飞艇发展现状

摘要：综述了国内外平流层飞艇研制的进展与现状，重点描述了平流层飞艇技术难点的情况。

关键词：平流层飞艇;总体设计;发展

0 引言

平流层是指海拔高度为10～55km的大气空间，处于对流层与中间层之间，气流相对平稳，垂直对流小，是部署空中平台执行监视预警、通讯中继、导航定位以及环境监测等任务的比较理想的环境。平流层飞艇能完成太阳能飞机所无法完成的定点飞行和长时间迎风驻留等飞行任务。正因为平流层飞艇具有可定点飞行、留空时间长、探测范围广、载荷能力强和费效比高等优点，多个国家正在开展对平流层飞艇的研究与验证。

1 国内外现状

1.1国外发展现状

自21世纪初，美国、日本以及欧洲等主要发达国家和区域均提出了平流层飞艇计划。美国为了弥补战时信息保障过度依赖天基平台的弱点，同时大幅度提升持久区域信息作战能力，近年来投入巨资支持了多项平流层飞艇研发项目，包括洛克希德马丁公司的高空飞艇项目、探测器与结构一体化飞艇项目和西南研究院的高空哨兵飞艇项目等。

日本在2000年就提出了长远的、分阶段实施的平流层飞艇开发计划。日本宇宙航空研究开发机构组织实施并开展了无动力验证飞行和多次低空技术验证试飞，积累了大量技术经验，但尚未有开展飞行样机整体集成和高空试飞演示的报道。

2005年3月，欧盟集中欧洲各国的相关研究机构和公司，启动了“面向特殊航空航天应用的高空飞机和高空飞艇研究项目”。

1.2国内发展现状

中国对平流层飞艇的研究，始于“十五”期间，多个高校和研究所参与了方案论证、关键技术攻关等基础性研究。2009-2012年，北京航空航天大学先后4次完成20km以上平流层高度飞行验证，取得了初步成果。2015年8月，航天科工一院与六院、〇六八基地联合开展直径30m囊体的飞行试验，飞行高度超过20km。2015年9月，上海交通大学开展了新型囊体结构的高空飞行试验，试验飞行时间2h，飞行高度19.3km，验证了非常规形态升空、回收方式的可实现性。

2 平流层飞艇技术难点

平流层飞艇总体布局的设计难点主要包括艇囊外形、尾翼问题和副气囊3个方面。

2.1艇囊外形

艇囊外形决定了飞艇的体积和气动特性，蒙皮材料强度直接限制了常规流线形囊体的最大体积和载重能力。为缓解或解决该问题，国内外多个机构进行了大量的探索研究。1）立足当前蒙皮材料技术，采用常规流线形布局发展小载荷飞艇;随着纤维强度提高，逐步增加载荷能力。该方案的优点是系统规模小，能源消耗少，成本较低，特别适用于技术验证飞艇，同时与载荷设备小型化、分布式载荷等技术发展趋势相一致;不足是载荷能力受限，能源供应受限，系统扩展能力受限，高强度纤维技术发展缓慢影响技术升级周期。2）在流线形艇囊结构上，通过艇囊结构优化设计增加艇囊耐压能力，如飞艇外围布置单向或双向加筋结构、网罩加筋结构和局部环向增强等。这是在当前技术条件下，改善蒙皮受力并解决囊体超压问题的较为可行的研究方向。

2.2尾翼问题

对于常规飞艇而言，尾翼安定面是保持飞行气动稳定性的主要办法。而平流层飞艇飞行速度较低，通常不超过30m/s，同时由于大气密度低，飞艇的尾翼安定面的效率降低，流线形旋成体自身气动发散力矩较大，很难通过尾翼保持飞艇的气动稳定性。即如果要保持稳定性，需要极大的尾翼面积，这对系统重量、前飞推力和囊体强度都提出了极高要求。在高空飞艇尾翼设计时，需要对尾翼面积、安装位置、气动效率和静稳定范围等进行详细核算;考虑到系统重量，适当降低对尾翼尺寸和对气动稳定性的过高要求是比较现实的;完全无尾翼布局可显著降低飞艇阻力，可采用主动控制的办法解决无尾翼飞控难题。

2.3副气囊

副气囊是低空软式飞艇的标准配置，可以起到调姿、调压、维形的作用。巨大体积的副气囊重量大，外形难以控制，尤其是经过地面到高空的升空过程，副气囊容积减小很多，皱褶的副气囊蒙皮随机叠压堆积，很容易引起飞艇姿态偏离预期;副气囊的蒙皮滑移也会加剧飞艇姿态发散。解决副气囊蒙皮堆积问题的难度比较大，目前提出了几种不同的解决方案，从上到下依次为：①采用多组绳网将副气囊限定在一定区域内，阻止其在收缩过程中滑移;②副气囊主要区域布置在艇首和艇尾，辅助索网固定，以降低副气囊收缩时蒙皮滑移的幅度;③副气囊内部增加弹性索网结构，副气囊蒙皮采用弹性材质制备;④采用柱形副气囊，将副气囊上下分别固定在艇囊顶部和底部，辅助加筋，既可减小滑移幅度，也可辅助传递浮力;⑤化整为零，布置多组小副气囊，每个小副气囊单独限位或者互相限位，类似蜂窝布置;⑥氦气囊与副气囊互换，在顶部内置柔性氦气囊，柔索辅助定位，艇囊内充空气，驻留时氦气囊膨胀到最大，避免蒙皮滑移，低空时氦气囊处于悬挂状态，摆动引起的姿态变化相对较小。

3 结论

平流层飞艇研制是一项极为庞大的系统工程，各国正处于积极探寻阶段。相信在优势单位联合攻关下，在众多科研人员共同努力下，中国的平流层飞艇进入工程实用阶段指日可待。

参考文献

[1]龙飞;平流层飞艇发展现状研究[J];决策探索（中）;2019.5

[2]郭虓;综合热力学模型的平流层飞艇上升轨迹优化[J];北京航空航天大学学报;2018.1

[3]王彥广;平流层飞艇技术发展及其应用前景展望[J];卫星与网络;2018.4

作者简介：单卫光，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究