浮空器的结构组成与发展现状

张永刚

（广州民航职业技术学院，广东 广州 510403）

引言

浮空器是一种利用轻于空气的气体（氢气、氦气或热空气），依靠大气浮力升空的航空器。根据工作原理的不同，浮空器可分为飞艇和气球两大类。

图1 浮空器分类框图

其中，对流层飞艇和系留气球是应用较为广泛的浮空器类型。飞艇相比于气球的主要差异是增加了一套动力装置，可以按照控制要求进行飞行。浮空器具有成本低、覆盖面积大、驻空时间长、能耗小、载荷能力大、噪声低等突出优势，在应急救援、通信中继、空中监测、地理测绘等多个军民领域得到广泛应用。

1 典型浮空器的结构组成

1.1 飞艇的结构组成

飞艇又称作可操纵气球，是一种装有动力装置、安定面和操纵面的流线型气球，可自行控制飞行方向。从结构角度划分，飞艇可分为三种类型：硬式飞艇、半硬式飞艇和软式飞艇[1]。

图2 飞艇结构外形图

硬式飞艇是由其内部骨架（金属或木质材料）保持形状，外表覆盖着蒙皮。骨架内部则装有许多为飞艇提供升力的充满气体的独立气囊，若其中一个小气囊受损，整个飞艇的浮力不会完全丧失。硬式飞艇通常体积较大，可以携带较多的人员或货物。

软式飞艇通常由充满氢气（或氦气）的气囊组成，气囊内部有两个副气囊，设置在一前一后，有利于控制飞艇的高度和俯仰姿态。气囊内压力通常比外界环境高约400Pa 左右，用来维持整个飞艇的气动外形。尾部设有尾翼用以控制飞艇的姿态。

半硬式飞艇是利用气囊中的气体压力保持其形状，飞艇下部由纵向龙骨连接到上部的压力气囊结构上，可以看作是在软式飞艇基础上增加了提升强度的龙骨结构。

1.2 系留气球系统的组成

如图3 所示，系留气球系统由空中部分（包括囊体结构、工作载荷）、地面部分（包括收放线器、充气装置、锚泊装置、地面电源）及中间连接部分（包括系留缆绳、数据传输缆）三大部分组成。

图3 系留气球系统组成示意图

目前，较为先进的系留气球除了球形囊体之外，还增加了升力翼及立面，如图4 所示。升力翼为三角形状，可借助风力给囊体贡献额外升力，风力越大，产生的升力越大；立面使得浮翼始终保持迎风方向，便于升力翼发挥功能。

图4 囊体结构示意图

目前飞艇或系留气球都使用安全性更好的氦气，氦气是惰性气体，不会像氢气那样易燃易爆，并且可以回收循环使用，具备了绿色环保的优点。

囊体大多采用复合材料，由特殊的高分子复合材料做成，包含承力织物层、耐候层、阻气层、粘接层等，该复合材料不仅质量轻，而且强度高，不易变形，并且有很好的柔韧性和气密性[2]。

2 国内外浮空器的发展情况

2.1 国内浮空器的发展

国内浮空器的研究已有四十余年的历史，最早开展浮空器研究的单位是中科院大气物理研究所。目前已有众多高校、研究所及企业开展了浮空器产品的研制工作，浮空器产业已初具规模。

国内从事浮空器研制的高校包括南京航空航天大学、北京航空航天大学、上海交通大学等；研究所包括中电三十八所、中航工业特飞所、航天五院、航天068 基地等；企业包括北京华航、上海达天、苏州方舟等。

中航工业特种飞行器研究所在浮空器研究领域起步较早，于1985年研制出我国第一艘无线电遥控飞艇。2004年成功研制出我国第一个具有自主知识产权的升空高度达1000 米的系留气球平台。近期中航工业特飞所研制了FKC-2 超视距遥控飞艇，该飞艇升空高度1500米，最大平飞速度72 千米/小时，最大载荷50 公斤。现已覆盖了无线遥控飞艇、充氦载人飞艇、系留气球等全系列产品。

中国电子科技集团公司第三十八研究所下设有中国电科浮空平台研发中心，先后研发出了包括国内第一个定型浮空器产品在内的系列产品，填补了国内相关领域的空白，部分产品还在北京奥运会、上海世博会和广州亚运会期间出色完成重点安保任务，得到各组委会的肯定。北京华航研制的软式载人充氦飞艇，飞艇长度达38 米，气囊容积近2000 立方米，最大飞行速度65 千米/小时，最大续航时间8 小时。成都神舟研制的开拓者3 号飞艇，飞行高度达2500 米，飞行速度达75 千米/小时，有效载荷35 公斤，飞行控制距离可达30 公里以上。上海达天研制的CA-80 型飞艇，艇长42 米，气囊容积达2500 立方米，载客量4 人，最大载重652 公斤，飞行速度66 千米/小时，最大续航时间10 小时。

北京航空航天大学、上海交通大学等高校主要从事平流层飞艇基础理论和有关配套设施的研究。近期圆满完成某型新概念浮空器临近空间的往返飞行，并且飞行器全程处于受控状态，在国内首次实现安全回收且设备完好。此次飞行高度达2 万米左右，基本抵达临近空间的底部，也就是大气层的平流层。平流层浮空器的留空能力可以达到数日，甚至数周、数月。在完美往返临近空间的试验之后，研发团队将进一步延长浮空器的这种空中驻留能力。

近年来，我国在浮空器领域的设计、气动仿真、升降与飞行控制、数据传输及材料工艺等方面都取得了较大提升，浮空器产业日益蓬勃。

2.2 国外浮空器的发展

近年来，已有多个国家正在大力开展各类浮空器产品的研究与开发。

飞艇方面，美国已将平流层飞艇列入无人飞行器系统的范畴，作为美国联合作战的重要组成部分。低空飞艇有洛克希德-马丁公司的混合型低空飞艇，波音公司与加拿大skyhook 公司联合研制的混合半硬式充氦气飞艇，俄亥俄飞艇公司研制的重型混合式运输飞艇PSC-1，诺斯罗普-格鲁曼公司的长航时飞艇和MAV6 公司的“蓝魔”飞艇等。约翰斯·霍普金斯大学开发了高空飞艇称之为HARVE 验证飞艇。俄罗斯有多家单位正在开展各系列飞艇的研制，包括多尔戈普德鲁内公司的“多用途高空飞艇平台”，阿夫古里公司的“金雕”系列飞艇等。此外，英国先进技术集团公司研制有“天猫1000”巨型飞艇，澳大利亚Skylifter 公司研制有新型载人飞艇，德国Cargomier公司研制有CL-160 巨型飞艇等。

系留气球方面，美国是研制系留气球最多的国家，固定式系留气球成功应用于系留气球雷达监视网（TRAS）和系留艇载预警系统（JLENS）[3]。俄罗斯的系留气球技术水平也较高，主要系留气球产品有“美洲狮”和“美洲豹”系列，其中“美洲狮”系留气球用以完成空中监视等任务，其工作高度达5 千米，滞空时间25 天，有效载荷2000 公斤；“美洲豹”系留气球工作高度4 千米，滞空时间30 天，有效载荷1700 公斤。另外，澳大利亚ALLSOPP HELIKITES 公司研制有FIREFLY 系留气球系列产品。

3 浮空器相关标准简介

目前，国内浮空器标准只有中国民航局航空器适航司颁布的AC-21-08《载人自由气球适航标准》和AC-21-09《飞艇适航标准》。浮空器的设计、制造等环节尚无统一的行业或国家标准，这也在一定程度上制约了产业发展。

中电三十八所、中航工业特飞所等单位陆续编制了各自的企业标准，但是不够系统，不够完善，影响了各单位之间的技术交流，也影响了浮空器产品的互换性和安全性。

国外浮空器标准也相对较少，主要包括英国民航适航性要求《Q 部软式飞艇》，另一个是美国运输部联邦航空局颁布的《飞艇设计规范》（FAA-P-8110-2）。

4 结束语

随着浮空器产业的日益发展，越来越多的科研院所、企业进入了这个领域，竞争日趋激烈。未来十年将是产业发展的关键期，一方面国家层面应该制定统一标准，这样产品的设计和制造才会有章可循。另一方面，各个研制单位应该积极学习国外先进的技术经验，取长补短，进一步加大投入，使浮空器产业取得更大的成就。