臨近空間變體飛艇技術(shù)研究

肖益軍

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

1 引言

臨近空間飛艇具備區(qū)域持久駐空能力，升空高度高，覆蓋半徑大，探測范圍廣，可作為各種通訊、監(jiān)測、雷達(dá)設(shè)備的搭載平臺，在某一固定空間長期駐留執(zhí)行對地觀測、通訊中繼、電子對抗等任務(wù)，在軍事和民用領(lǐng)域具有非常重要的作用。近年來，隨著材料技術(shù)，能源技術(shù)，通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，包括對流層飛艇、系留氣球等浮空器技術(shù)得以迅猛發(fā)展。但現(xiàn)代意義的臨近空間飛艇仍處于關(guān)鍵技術(shù)探索、攻關(guān)階段，到目前為止，世界范圍內(nèi)還沒有研制出可長期駐空、實(shí)用化的臨近空間飛艇。

2 國外臨近空間飛艇發(fā)展現(xiàn)狀

由于臨近空間的水汽、懸浮固態(tài)顆粒和雜質(zhì)極少，氣象條件穩(wěn)定，飛艇飛行高度高、視距范圍大等特點(diǎn)，美國、日本、歐洲等工業(yè)發(fā)達(dá)國家將發(fā)展臨近空間飛艇作為搶占臨近空間制高點(diǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，予以高度重視。美國是臨近空間飛艇研制最早、經(jīng)費(fèi)投入和項(xiàng)目最多的國家，最具代表性的有高空飛艇（HAA）、高 空 哨 兵（HiSentinel）、傳 感 器 飛 艇（ISIS）、平流層衛(wèi)星（Stratellite）和“攀登者（Ascen－der），涵蓋軟式、硬式、異形（V型）飛艇等多種形式。HAA又被稱作平流層平臺系統(tǒng)，由美國導(dǎo)彈防御局和洛克希德·馬丁公司聯(lián)合開發(fā)研制，其主要目標(biāo)是開發(fā)搭載大型多任務(wù)負(fù)載長時(shí)間（數(shù)月）在高空駐留的無人LTA平臺，將用作導(dǎo)彈監(jiān)視，如圖1所示。

圖1 美國洛·馬公司高空飛艇（HAA）概念設(shè)計(jì)

高空哨兵HiSentinel是CHHAPP項(xiàng)目計(jì)劃的一部分，目的是開發(fā)低成本的通信、情報(bào)偵察和監(jiān)視的小載重、無人長航時(shí)的臨近空間飛艇。飛艇采用類似高空氣球的放飛方法，放飛時(shí)艇體充部分氦氣，處于零壓狀態(tài)，隨著高度上升逐步膨脹成形，任務(wù)設(shè)備與艇體分離后依靠降落傘回收。高空哨兵HiSentinel曾攜帶了大約27千克的設(shè)備，在22千米高度飛行了5個(gè)小時(shí)（見圖2）。

圖2 HiSentinel臨近空間飛艇

ISIS項(xiàng)目的目標(biāo)是研制一種基于臨近空間飛艇的自主無人探測器。該無人探測器集成于飛艇的結(jié)構(gòu)中，幾乎與飛艇一樣大，可使用數(shù)年時(shí)間，用于監(jiān)視和跟蹤空中和地面目標(biāo)，具有跟蹤遠(yuǎn)距離的巡航導(dǎo)彈和地面敵方作戰(zhàn)人員的能力（見圖3）。

圖3 ISIS項(xiàng)目示意圖

平流層衛(wèi)星（Stratellite）是升浮一體硬式飛艇，主要用于通訊和實(shí)時(shí)監(jiān)視等領(lǐng)域，艇體材料采用雙層凱夫拉爾纖維，外層覆蓋柔性薄膜太陽能電池，采用電機(jī)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，其最大續(xù)航時(shí)間可達(dá)18個(gè)月，可以回收維護(hù)，維護(hù)后的飛艇可以繼續(xù)使用。2005年11月，第一艘Stratellite原型機(jī)完成試飛（見圖4）。

圖4 Stratellite平流層衛(wèi)星原型機(jī)

臨近空間機(jī)動(dòng)飛艇“攀登者”集衛(wèi)星和偵察機(jī)功能于一身，由地面遙控設(shè)備操縱，能完成高空偵察、勘測任務(wù)，也可用作戰(zhàn)場高空通訊中繼站?！芭实钦逜scender”技術(shù)驗(yàn)證艇2004年進(jìn)行了部分低空試驗(yàn)，但2005年兩次試驗(yàn)分別因地面大風(fēng)或上升過程中艇體超過壓力極限破裂而損毀（見圖5）。

圖5 攀登者Ascende臨近空間飛艇

歐洲航天局在2000年3月聯(lián)合德國宇航公司、英國蘭德斯特朗氣球公司和荷蘭代爾夫理工大學(xué)，完成了對高空飛艇方案的初步評估，并投資研制“哈爾”半硬式高空飛艇，飛行高度20000米，搭載1000千克任務(wù)載荷，可連續(xù)留空5年，主要用于通信、對地球觀察、大氣科學(xué)研究和天文學(xué)研究等（見圖6）。

圖6 歐洲局HALE飛艇平臺

日本從上世紀(jì)80年代就開始了平流層飛艇的可行性研究。1998年成立了平流層飛艇通信平臺開發(fā)協(xié)會，通過了平流層飛艇通信平臺的國家立項(xiàng)，計(jì)劃用15個(gè)平流層定點(diǎn)飛艇通信平臺覆蓋日本國土。2003年8月，日本航空航天技術(shù)研究所和海洋科學(xué)技術(shù)中心在茨城縣發(fā)射了一艘平流層無動(dòng)力試驗(yàn)艇，該艇飛行高度達(dá)16.4千米。2004年進(jìn)行了8次滯空高度為4000米的低空演示飛艇的定點(diǎn)滯空飛行試驗(yàn)，對飛艇的制造、浮力控制、熱控制、飛行控制等進(jìn)行了驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)建設(shè)通信和地球觀測平流層平臺構(gòu)想奠定了一定基礎(chǔ)。

3 變體飛艇的獨(dú)特優(yōu)勢

臨近空間飛艇的使用環(huán)境與常規(guī)對流層飛艇不同，其升空高度高，空氣密度變化大，環(huán)境溫度低，太陽輻射強(qiáng)，駐空持續(xù)時(shí)間長，晝夜變化超熱／超冷嚴(yán)重，造成飛艇固定區(qū)間保持困難，對能源、動(dòng)力、控制要求高（見圖7）。

圖7 臨近空間區(qū)域劃分

目前世界各國的臨近空間飛艇大多采用常規(guī)飛艇布局，變體飛艇仍處于探索階段。常規(guī)飛艇囊體由氦氣囊和副氣囊組成，主囊體體積保持不變，通過調(diào)節(jié)艇載配重和副氣囊空氣量控制凈浮力和艇體壓差，實(shí)現(xiàn)飛艇姿態(tài)調(diào)整、升降和駐空，升空高度越高，飛艇體積越大。因此，固定的囊體體積將限制飛艇升限。同時(shí)，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)效率低，能源消耗大，造成飛艇對囊體材料強(qiáng)度要求高，艇體結(jié)構(gòu)、能源和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)等占系統(tǒng)重量比重大。

變體飛艇根據(jù)艇體內(nèi)外壓差，控制囊體自適應(yīng)變化，獲得高體積變化率，相對常規(guī)布局飛艇具有以下一系列獨(dú)特優(yōu)勢。

3.1 減輕飛艇重量

重量是制約臨近空間飛艇發(fā)展的重要因素，30千米臨近空間的空氣密度只有海平面的1.5%。自身重量越大，要求飛艇體積越大。變體飛艇采用微壓差控制，艇體材料強(qiáng)度要求低，并取消副氣囊，簡化壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，降低了能源需求，可顯著減輕臨近空間飛艇平臺重量，為有效任務(wù)載荷提供了更多應(yīng)用空間。

3.2 提高飛艇升限

在起飛重量一定的條件下，變體飛艇升限只與空氣密度和艇體體積變化率相關(guān)，其升限不再受艇體材料強(qiáng)度等相關(guān)技術(shù)的制約。

3.3 環(huán)境適應(yīng)性高，持續(xù)駐空能力強(qiáng)

臨近空間環(huán)境溫度低，太陽輻射強(qiáng)，晝夜變化超熱／超冷嚴(yán)重，飛艇凈浮力變化范圍大，造成臨近空間飛艇駐空高度不穩(wěn)定。常規(guī)布局飛艇通過釋放氦氣和艇載配重調(diào)整高度，但氦氣和配重是有限的，因此，在臨近空間環(huán)境，常規(guī)布局飛艇持續(xù)駐空能力是有限的。變體飛艇可根據(jù)起飛重量和最低巡航高度確定初始充氦量、艇體容積和體積變化率，其持續(xù)駐空時(shí)間的長短將取決于氦氣泄露量。因艇體內(nèi)外壓差小，氦氣泄露量僅與艇體材料本身透氦率和加工工藝相關(guān)，從而具有很強(qiáng)的持久駐空能力。

4 飛艇變體模式

飛艇有多種變體形式，但為適應(yīng)臨近空間環(huán)境變化，變體飛艇應(yīng)以獲得高體積變化率為目標(biāo)，其高效變體模式可分為縱向變體和徑向變體。

4.1 縱向變體

縱向變體是指飛艇橫向截面基本不變或變化很小，通過變體控制機(jī)構(gòu)使飛艇縱向尺寸發(fā)生變化，飛艇的長細(xì)比改變（見圖8）。

圖8 飛艇的縱向變體

4.2 徑向變體

徑向變體是指飛艇縱向尺寸基本不變或變化很小，通過變體控制機(jī)構(gòu)使飛艇徑向截面尺寸發(fā)生變化（見圖9）。

圖9 飛艇的徑向變體

縱向和徑向變體都是通過變體控制機(jī)構(gòu)使飛艇外形尺寸發(fā)生變化，以獲得高體積變化率。由于臨近空間跨度高，大氣壓力和空氣密度變化大。隨著高度增加，大氣壓力和空氣密度急劇下降，在有效載荷重量一定的情況下，飛艇升空高度越高，要求容積和體積變化率越大。

5 變體飛艇的主要關(guān)鍵技術(shù)

臨近空間變體飛艇的關(guān)鍵技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的自主變體和飛行操穩(wěn)控制。

5.1 飛艇變體控制技術(shù)

臨近空間變體飛艇采用非常規(guī)布局型式，飛艇的主囊體由變體機(jī)構(gòu)和用于提供浮力的軟式氣囊組成，通過變體機(jī)構(gòu)控制囊體伸展或折疊。軟式氣囊為單氣室結(jié)構(gòu)，不設(shè)副氣囊，內(nèi)部填充氦氣，根據(jù)內(nèi)外壓差調(diào)節(jié)囊體體積和保持飛艇外形（見圖10）。

圖10 變體飛艇工作原理

輕量化、高可靠、高體積變化率的變體機(jī)構(gòu)與飛艇軟式氣囊的結(jié)構(gòu)匹配性、高精度分布式微壓差傳感器系統(tǒng)和變體控制策略是飛艇變體控制技術(shù)的核心，有待進(jìn)一步深入研究和驗(yàn)證。

5.2 飛艇飛行控制技術(shù)

臨近空間飛艇技術(shù)研究的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)長期駐空并返場，可重復(fù)利用的飛艇平臺。

變體飛艇在輕重量設(shè)計(jì)、持久駐空和高度調(diào)整、保持等方面具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢，但在上升、駐空和低空返場控制技術(shù)仍有待研究。

以成功進(jìn)入平流層的HiSentinel高空哨兵為例，采用非保形上升，到達(dá)預(yù)定高度后氦氣膨脹成型，進(jìn)入駐空飛行階段，下降至一定高度后囊體爆破，艇載任務(wù)設(shè)備降落傘回收。其載重小，連續(xù)駐空時(shí)間短，無法定點(diǎn)返場，不可重復(fù)使用（見圖11）。

變體飛艇在低空采用流線型氣動(dòng)外形，降低低空阻力。高空通過變體保持流線型柱狀體外形。通過不同階段氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、高低空動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)布局和舵面操控等飛行控制技術(shù)，保證飛艇在高低空具有良好的飛行控制性能（見圖12）。

6 結(jié)語

圖11 高空哨兵飛行控制模式

變體飛艇結(jié)合了傳統(tǒng)自由氣球和飛艇的特點(diǎn)，是一種新型的，有待繼續(xù)探索的浮空器，其關(guān)鍵技術(shù)是變體和飛行控制技術(shù)。筆者針對臨近空間飛艇高效變體模式和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步分析，為臨近空間飛艇安全上升、穩(wěn)定駐空和可靠返場提出相應(yīng)的解決途徑，可為臨近空間飛艇后續(xù)研究提供參考。

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