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飞艇华丽转身又归来(下)
    时间:2017-2-20     点击率:1362

编者按:本刊在2010220日曾在“前沿动态”栏目里登载了《美国临近空间飞行器技术发展概述》一文。六年时间过去了,临近空间飞行器有了长足的发展,特别是中国“圆梦号”平流层飞艇在2015年试飞成功。今天,力学所毛天祥研究员又以隽秀的文字讲述了飞艇的前世今生故事。本刊在此期的“科普花园”栏目里,继续刊载《飞艇华丽转身又归来》一文的下篇,以飨读者。

飞艇华丽转身又归来(下)

毛天祥

上个世纪的70年代以来,飞艇改用安全的氦气,其发展又开始呈现了活跃的景象,采用多种新技术的新型飞艇被用于空中摄影、摄像、巡逻等方面。特别是一些大型活动场合,如在洛杉矶、汉城和巴塞罗那举办的奥运会以及在和北京举办的亚运会上,它们又在会场上空显露着自己靓丽的身影。当然,这些是一类低空飞艇,人们的肉眼可以看到它们。而在新世纪里,随着科学技术的不断进步,人们对现代飞艇的要求也不断提高,希望它们能飞得更高、更远,能完成更多的任务。近年来,各国更是竞相开启了临近空间飞行器的研究,这项研究的驱动力首先来自于军用(包括侦察监视、定点通讯等等),当然大型飞艇还可以用于交通运输、环境监测、遥感通信、应急救援、公共安全和科学实验等民用方面,这也是社会经济发展的需求。于是,飞艇华丽转身又归来,成了大家的“香饽饽”。

这里,我们要提及一个专业名词:临近空间。这是指距离地球表面20 - 100千米的空域。大家都知道,在地球引力作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在3000千米高空仍发现有稀薄大气,有人认为,大气层的上界可能延伸到离地面6400千米左右。在大气层中,科学家把从地面开始到10千米左右(下界为8千米,上界为12千米)的空域称为“对流层”,把10-55千米的空域称为“平流层”。平流层有这样一些特点:首先水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少,因此能见度很高;其次大气上暖下凉,不对流,以平流运动为主,飞行器在其中受力比较稳定,便于操纵架驶;最后,鸟类一般不能飞达平流层这样的高度,从而会减少了发生撞击意外的几率。加上在这个空域可以利用稳定的太阳能资源及平稳的大气环境,所以平流层成为临近空间飞艇的首选运行空域。

平流层飞艇在“巡天”

一般说来,飞机和卫星都是可以在临近空间里飞行的,只是时间不能维持太久。例如,美国的F4战斗机,在上个世纪的50年代,就突破了3万米的飞行高度。但是,如果要求飞机完成侦察监视或通讯中继等使命,必须不停地在该空域内盘旋,从而需要不停地消耗大量的燃油。而且对于大多数机种,这个高度太高了!因为当高度为25千米时,空气密度只有海平面的1/40了,飞机发动机的工作效率已经低至临界点了。普通飞机在这个空域里的飞行变得十分困难,甚至无法飞行。然而,对于卫星,这个高度又太低了!其原因在于,一方面地球的引力较大,另一方面空气阻力也较大,长时间在此空域中运行,为了克服重力和阻力,就需要配备必要的助推火箭之类的装置并消耗不少的推进剂。在这个“飞机上不去,卫星下不来”的空域,过去人们一直没有好的办法到达,因此不能充分地开发利用它。然而,现代飞艇则显示了良好的应用前景。

特别是在平流层,由于现代飞艇一般都具有太阳能电池阵列与储能装置构成的循环能源系统,可为飞艇飞行提供持续动力,从而具有长时间驻空和按航路飞行的能力。可以想象,只要气囊不漏气,飞艇就可以一直在天上飘着。所以,目前各国都在大力发展平流层飞艇,它可以不受对流层恶劣天气影响,可全天候、全天时连续工作,一般工作在25千米的高度上。尽管造一艘现代化高端飞艇并非便宜,但是从单位浮空时间的成本来看,它具有绝对的优势。如果让飞机、飞艇和卫星配合起来,那就更厉害啦!例如,如果要建立一个高分辨率的对地观测系统,那么人们可以如此布局:飞机作为一种航空观测系统在8千米以下的低空飞行,飞艇作为一种临近空间观测系统在20千米上下的中空飞行,而卫星作为一种天基观测系统在100千米以上的高空飞行(目前低轨卫星的最低飞行高度在250千米左右),它们都在各自最佳空域里工作。我们不难设想,这将会获得多么好的效益啊!

一种高分辨率对地观测系统的最佳组合

又如,临近空间飞艇还可以考虑作为一种通讯中继平台来使用。它接收从卫星上发送来的通讯信号,然后直接或间接(通过飞机等)发送到地面的信息指挥中心。由于它具备全天候、全天时工作能力,而且不受地形的限制,可以实现超视距通信,可以满足大容量、大范围的通信要求。这样,不仅在军事领域占有重要的地位,在民用的应急救灾等领域也有重要的意义。

作为通讯中继平台使用的临近空间飞艇

专家们给飞艇起了一个很绕口的名字:浮空器。顾名思义,这是一种能够浮在空中的飞行器。和飞机、卫星等航空航天器不同的是,由于充有轻气体(氢或氦),它们自身的重量轻于同样体积的空气,便可以凭借浮力升空并停留在空间。当然,气球也属于一种浮空器,飞艇与气球的最大的区别在于它具有推进和控制飞行状态的装置,因而可以像飞机一样自主飞行。由于飞艇的升力主要依靠浮力,因此相对于飞机而言它的节能性能很好,噪声又很低、对环境的干扰较小,而且它不需要机场或跑道便可实现垂直起降,又能够悬停于任意地理位置上空,运行起来很方便。此外,现代飞艇可以比飞机飞得高得多,这样视野就大得多,例如目前预警机对地的雷达视距大约在400公里左右,而平流层飞艇最多可以达到1000公里。飞艇相对于卫星而言,运行高度又低得多,可以装备载荷的能力比较大,这样对地观测仪器的分辨率就高得多,十分适合于遥感通讯等应用。所以,遥测通讯等等是可以巡天的平流层飞艇的不二使命啊!

一般地说,飞艇主要由巨大的流线型艇身、位于艇身下面的吊舱、起稳定控制作用的尾面和推进装置组成。艇体的气囊内充有浮升气体,吊舱供人员乘坐和装载货物(包括仪器设备),尾面用来控制和保持航向、俯仰的稳定,推进装置提供动力,主要用于飞艇水平移动(也可以提供部分的升力),现代飞艇一般采用电驱动的发动机。对于平流层飞艇,它们大都安装有太阳能电池阵列和储能装置,因此具有长时续航及定点驻空能力。这就是飞艇得以华丽归来的主要缘由。

平流层飞艇的结构示意图

下面我们不妨来看看国际上正在发展哪些平流层飞艇?

这里,首先给出美国在研发的一种大型运输飞艇“海象(Walrus)”。人们将它称作为“临近空间航母”,预定的目标是在7天内将500吨至1000吨货物或者1800名士兵运至12000千米以外的地方。

“海象”概念图

美国军方还在研制一个巨型军用平流层飞艇“攀登者(Ascender)”。这个“攀登者”飞艇采用独特的V字形,长度为53米,宽度为30米,配备2台燃料电池驱动的螺旋桨推进器。它可以装载45千克重的仪器设备,飞行在30千米高空,执行为期5天巡航任务。

建造中的“攀登者”

    美国还研制了一艘临近太空的机动高空飞艇“HAA号”,长152.4,直径48.7米,容积15万立方米,采用4台电动螺旋桨发动机驱动。它飞行在20千米高度上,载有1,814千克重的任务设备,可以监视1200千米圆形区域,

高空飞艇“HAA号”

ISIS飞艇也是美国正在发展的一种平流层飞艇。在它顶部上面的蓝壳子是太阳能电池阵列(solar cells);与之配合的是一个储能装置(energy storage);中间竖起来的罐子是一个大型相控阵雷达(radar),可以完成对地遥测任务。

ISIS飞艇示意图

在现代飞艇的研究发展过程中,专家们已经不再局限于飞艇的传统外形与动力系统,而是努力将飞艇与飞机优势相结合。相比之下,飞艇的短板在于速度和灵活不够,所以在“融合”的道路上,飞艇曾经长出过翅膀,也曾经被安装过直升飞机那样的旋翼,但最终并未真正走向实用。当前则走出了更为先进的一步:浮升一体式艇囊设计,这一设计在美国洛克希德·马丁公司建造的P-791飞艇中采用。P-791好似由三个常规飞艇结合在一起的样子,如果从横截面方向看就像三个相扣的环。这个飞艇80%的升力是由艇囊的浮力所提供,剩余的升力则由艇体的气动升力提供。此外,它还采用了多套“矢量推进”组合的布局,使得操控性和机动性大大加强,甚至可以做原地360°自由旋转动作。这里值得一提的是,P-791还有四个圆型着陆垫,每个着陆垫周边伸出了多个微小的凸起(学名为“裙指”)。这些裙指可以被抽真空,进而牢牢地吸附在地面上,从而减少侧风对飞艇的影响,让飞艇能够更稳定地驻留。按照计划,P-791最终的尺寸为91米长、24米宽,是一艘重型飞艇。

美国P-791飞艇的浮升一体式囊艇设计

另一艘巨型飞艇是长度约为92米的“天空登陆者(Airlander)”,设计载客48名、载货10吨,最长可在空中停留两星期。它是由英国混合航空飞行器公司研制的,同样采用浮升一体的设计原理。它也有奇特的外形,好像腹部相连的两个飞艇。不少人戏称它为“飞屁股”,因为从后面看过去很像人类的屁股。2016817日,“天空登陆者”首航成功,尽管飞行高度仅为4900米,但它目前世界上最大的飞艇。

天空登陆者

其实,这个飞艇开始是美国诺斯罗普·格鲁曼公司为国防部“超大型混合式飞行器”(Hybrid Ultra-Large Aircraft, HULA)计划提交的方案并在招标时被选中,当时称为LEMV飞艇。可惜的是,就在其原理样机成功飞行后不久,美国军方因经费等问题取消了这个项目的后续工作。后来,几经辗转,英国混合航空飞行器公司决定继续研发这个庞然大物,并更名为Airlander,而且最终取得了成功。

LEMV飞艇

最后,我们要提到的是,近年来我国在临近空间飞艇领域的研究也取得了长足的进展。201510月,北京航空航天大学、北京南江空天科技股份有限公司共同完成了临近空间飞艇“圆梦号”的留空飞行试验,实现了可控飞行与完好回收,同时开展了临近空间宽带数据传输、语音图像传输、对地观测与空中态势感知等初步应用试验。“圆梦号”囊体体积为18000立方米,由3个六维电机螺旋桨驱动,驻空时间为48小时,可以重复使用。“圆梦号”飞艇试飞成功,标志着我国在临近空间飞艇研制领域迈入世界先进行列。

“圆梦号”飞艇

当然,在介绍了飞艇华丽转身又归来的故事之后,我们必须强调这仅仅是一个开始。发展现代飞艇,特别是平流层飞艇,还存在一系列的技术难关需要攻克。这里包括艇体材料、能源、动力和飞行控制等诸多方面的问题。所以飞艇的今生,依然会和它的前世一样,要经历许多的“磨难”。不过,我们相信,飞艇一定将继续飞行在属于它的天空里。