平流層浮空器的現(xiàn)狀和技術(shù)趨勢(shì)

秦利宇 戴秋敏

摘 ?要：平流層浮空器是一種位于平流層中的飛行器，通常是指20公里以上的無(wú)人駕駛飛艇或氣球，用于組成電信網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)行遙感測(cè)控。在20世紀(jì)最后十年和21世紀(jì)最初十年，曾啟動(dòng)了幾個(gè)項(xiàng)目，但很少有項(xiàng)目繼續(xù)下去。2014年，兩家主要互聯(lián)網(wǎng)公司（谷歌和Facebook）宣布投資新的平流層浮空器項(xiàng)目，在沒(méi)有通信基礎(chǔ)設(shè)施（地面基站或衛(wèi)星）的地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入，使人們重新關(guān)注平流層浮空器的發(fā)展。文章旨在調(diào)查平流層浮空器的歷史、現(xiàn)狀、技術(shù)趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：平流層浮空器;技術(shù)挑戰(zhàn);技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：V27? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）01-0156-02

Abstract： Stratospheric aerostats （HAPs） are， usually unmanned airships or airplanes positioned above 20 km， in the stratosphere， which are used to compose a telecommunications network or perform remote sensing. In the 1990 and 2000 decades， several projects were launched， but very few had continued. In 2014， two major Internet companies （Google and Facebook） announced investments in new Stratospheric aerostats projects to provide Internet access in regions without communication infrastructure （terrestrial or satellite）， bringing back attention to the development of Stratospheric aerostats. This paper aims to survey the history of Stratospheric aerostats， the current state-of-the-art， technology trends and challenges.

Keywords： stratospheric aerostats; technological challenges; technology trends

1 介紹

在上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)初，在美國(guó)、日本和韓國(guó)啟動(dòng)了大型項(xiàng)目[1]、[3]，以探索平流層浮空器在電信和遙感方面的潛在應(yīng)用。

平流層浮空器是高度20公里以上，位于平流層的飛行器，用于民用或軍用通信網(wǎng)絡(luò)或遙感。這些飛行器可以是有人駕駛或無(wú)人駕駛的飛艇或氣球。平流層是大氣層中的一層，平流層開(kāi)始于對(duì)流層頂部--兩極7公里和赤道18公里的高度，延伸至約50公里。溫度從對(duì)流層頂?shù)暮愣囟燃s-60°C開(kāi)始，隨著海拔升高而升高。平流層浮空器飛行的高度范圍約為20公里，其原因是在這個(gè)高度上風(fēng)速較小，因此，平流層浮空器維持位置所需的功率較小。

2 應(yīng)用

平流層浮空器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是民用和軍用的電信及遙感。在電信領(lǐng)域，平流層浮空器相對(duì)于地面中繼塔的一些優(yōu)點(diǎn)是覆蓋面積更大，障礙物（建筑物、地面高程）造成的干擾更少，部署時(shí)間更短。與衛(wèi)星相比，平流層浮空器具有較低的傳輸延遲、便于返回維修，同時(shí)可進(jìn)行有效載荷的重新配置[1]。

在遙感方面，與衛(wèi)星（主要是低軌道衛(wèi)星）相比，平流層浮空器具有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，即能夠在一個(gè)區(qū)域內(nèi)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以得到分辨率更高的圖像，因?yàn)樗鼈兏咏采w區(qū)域。

3 文獻(xiàn)計(jì)量分析

科學(xué)出版物的文獻(xiàn)計(jì)量分析是支持新技術(shù)預(yù)測(cè)的重要工具[4]。在本文中，利用文獻(xiàn)計(jì)量來(lái)分析在平流層浮空器領(lǐng)域發(fā)表較多論文和取得較多科學(xué)進(jìn)展的國(guó)家，并構(gòu)建了分析曲線。本文分析了以下文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)： Web of Science和Google Scholar。搜索內(nèi)容包括：題目、關(guān)鍵詞和摘要，采用了以下搜索條件：“平流層浮空器”、“高空飛艇”、 “平流層飛艇”、“平流層氣球”、“高空平臺(tái)”、“平流層平臺(tái)”。為了消除重復(fù)結(jié)果以及與本研究主題無(wú)關(guān)的結(jié)果，我們對(duì)每一篇文章摘要進(jìn)行了分析。當(dāng)文獻(xiàn)與平流層浮空器主題直接相關(guān)時(shí)，它們才被認(rèn)為是有效的。在這一過(guò)程中，約有30%在搜索中獲得的文獻(xiàn)被刪除。

經(jīng)過(guò)篩選，在1990年1月至2015年12月，共發(fā)現(xiàn)與平流層浮空器直接相關(guān)的科研論文969篇，1968年至1989年平均每年發(fā)表1篇左右，共發(fā)表22篇，未納入調(diào)查范圍。論文數(shù)量最多的5個(gè)國(guó)家的出版總數(shù)分別為：中國(guó)（237份）、美國(guó)（202份）、意大利（87份）、英國(guó)（69份）和日本（60份）。圖1顯示了這5個(gè)國(guó)家每年科學(xué)出版物的分布情況。從2009年起，中國(guó)成為在平流層浮空器上發(fā)表科學(xué)文章最多的國(guó)家，而在其他國(guó)家，發(fā)表的文章則有所減少。由此可見(jiàn)，我國(guó)雖然在平流層浮空器領(lǐng)域起步較晚，但是平流層浮空器所產(chǎn)生的民用和軍用價(jià)值在我國(guó)也受到了高度重視。

4 挑戰(zhàn)

平流層浮空器在平流層中運(yùn)行，需要解決的重大的技術(shù)挑戰(zhàn)主要是：輕量化結(jié)構(gòu)、能量產(chǎn)生和儲(chǔ)存、熱管理、低空運(yùn)行和可靠性。下面將對(duì)這些挑戰(zhàn)逐一論述。

4.1 輕量化

平流層浮空器的通常運(yùn)行高度約20公里，在這里空氣稀薄，大氣密度約為海平面大氣密度的7%。因?yàn)榭諝飧×εc空氣密度、飛艇和氣球的體積成正比，因此在平流層平臺(tái)設(shè)計(jì)中，如果考慮相同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)--總重量、氣動(dòng)外形、運(yùn)行速度等，那么平流層飛艇的尺寸必須比根據(jù)海平面條件確定的飛機(jī)尺寸大14倍左右。這些大尺寸導(dǎo)致了對(duì)平流層浮空器的重量需要進(jìn)行嚴(yán)格的優(yōu)化。

平流層飛艇和氣球的包覆材料必須具有低重量特性、高強(qiáng)度、高承受損傷（撕裂、針孔）的能力，以及氣體的低滲透性、低溫下的柔韌性、抗紫外線輻射和臭氧環(huán)境下低降解等性能。它的外層通常為薄膜材料，用于分隔內(nèi)外氣體;內(nèi)部纖維主要用于提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和粘合層連接。

4.2 能量的產(chǎn)生和存儲(chǔ)

與任何飛行器一樣，平流層浮空器需要一個(gè)能源為其系統(tǒng)和有效載荷供電。平流層浮空器項(xiàng)目的目標(biāo)航行時(shí)間很長(zhǎng)，大約為數(shù)月甚至數(shù)年。目前，平流層浮空器的主要能源供應(yīng)方式是太陽(yáng)能電池發(fā)電[5]。對(duì)于超長(zhǎng)續(xù)航的平流層浮空器，最常用的解決方案是白天通過(guò)光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，部分電能用于平臺(tái)的正常運(yùn)行，部分電能用于為存儲(chǔ)系統(tǒng)充電，通常是充電電池或RFC，以便在晚上使用。

4.3 熱特性

升力氣體與外部大氣的溫差直接影響著平流層飛艇和氣球的性能。當(dāng)內(nèi)部氣體的溫度高于外部空氣的溫度時(shí)，這種效應(yīng)稱為過(guò)熱;反之為過(guò)冷。這種溫差可能是由以下幾個(gè)因素引起的，如太陽(yáng)直接輻射、太陽(yáng)輻射在地球表面或云層上的反射、上升或下降過(guò)程中上升氣體的膨脹、大氣溫度的變化（白天/夜晚）以及光伏電池的運(yùn)行引起的發(fā)熱等。平流層浮空器的熱特性研究，包括熱平衡的數(shù)學(xué)建模和絕緣材料的使用，是一項(xiàng)需要加強(qiáng)的研究?jī)?nèi)容。

4.4 低空作業(yè)

平流層浮空器的運(yùn)行高度約為20公里，那里稀薄的空氣相對(duì)平靜，風(fēng)速較低。因此，與設(shè)計(jì)用于低海拔運(yùn)行的飛行器相比，平流層浮空器具有低功率推進(jìn)系統(tǒng)和輕且脆弱的結(jié)構(gòu)。對(duì)流層中的強(qiáng)風(fēng)和湍流可能導(dǎo)致平流層浮空器的墜毀，例如2003年的Helios飛艇和2015年的Solara 50飛艇事故。因此，在低空飛行，特別是在發(fā)射和回收階段，選擇合適的天氣窗口是非常重要的。例如Zephyr飛艇選擇在沙漠地區(qū)晴朗無(wú)風(fēng)的天氣條件下發(fā)射[6]。在低空條件下，放飛區(qū)域的天氣預(yù)報(bào)對(duì)平流層浮空器的成功運(yùn)行具有重要影響。因此，飛艇飛行軌跡的仿真模擬研究也是非常必要的。

4.5 可靠性

數(shù)月甚至數(shù)年的長(zhǎng)時(shí)間飛行意味著平流層浮空器需要有高可靠性的設(shè)備。平流層的環(huán)境在某些方面與太空很相似，例如非常低的溫度、顯著的溫度周期（白天/晚上）以及強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射和紫外線。因此，一個(gè)可靠的平流層浮空器需要采用高成本的太空設(shè)備和組件。這些太空設(shè)備和組件甚至必須應(yīng)用于整個(gè)平流層浮空器系統(tǒng)，包括地面基站和數(shù)據(jù)連接。

5 技術(shù)趨勢(shì)

基于平流層浮空器項(xiàng)目的發(fā)展現(xiàn)狀，下面將對(duì)該領(lǐng)域可能的技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行分析。為了實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)續(xù)航，目前的平流層浮空器項(xiàng)目大多是無(wú)人機(jī)，這一趨勢(shì)正在日益加強(qiáng)。平流層浮空器項(xiàng)目的主要能源（太陽(yáng)能電池板）的使用將會(huì)增加。對(duì)于夜間電能存儲(chǔ)，目前還不確定會(huì)優(yōu)先選擇充電電池，如鋰硫電池，還是RFC。由于電動(dòng)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，這兩項(xiàng)技術(shù)有望在未來(lái)幾年取得重大進(jìn)展。

本文分析了7個(gè)平流層浮空器項(xiàng)目的信息，其中有5個(gè)項(xiàng)目在無(wú)法確定是否能獲得理想成果的情況下關(guān)閉，2個(gè)項(xiàng)目正在進(jìn)行中（泰勒斯Stratobus、谷歌Loon）。這一發(fā)現(xiàn)表明，平流層飛艇目前仍處在實(shí)驗(yàn)研究階段，其技術(shù)成熟度尚未達(dá)到批量生產(chǎn)和商業(yè)運(yùn)營(yíng)的水平。目前，開(kāi)發(fā)平流層浮空器項(xiàng)目所涉及的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)仍然較大。

6 結(jié)論

平流層浮空器具有的超長(zhǎng)續(xù)航、部署周期短、成本低（與衛(wèi)星相比）、覆蓋面積大（與地面發(fā)射站相比）等優(yōu)點(diǎn)，因此具有不可替代的地位。但是，其發(fā)展仍然不是一帆風(fēng)順，面臨諸多挑戰(zhàn)。在21世紀(jì)初平流層浮空器這一概念并沒(méi)有引起人們很大的興趣。一些看起來(lái)很有希望的項(xiàng)目，如日本、韓國(guó)的飛艇和美國(guó)的ERAST飛機(jī)，也都沒(méi)有繼續(xù)進(jìn)行下去。在軍事領(lǐng)域，美國(guó)在伊拉克和阿富汗沖突中的參與度下降，導(dǎo)致美國(guó)國(guó)防部停止了平流層浮空器項(xiàng)目。2003年的Helios飛艇事故和2011年的HALE-D飛艇事故，以及部分項(xiàng)目的中止，提醒人們，與平流層浮空器相關(guān)的技術(shù)仍處于較低的成熟度。一些技術(shù)難題仍然需要克服，例如：輕量級(jí)結(jié)構(gòu)、RFC儲(chǔ)能、飛艇熱管理、低空作業(yè)和系統(tǒng)可靠性。

文獻(xiàn)計(jì)量分析顯示，2009年之前，在平流層浮空器領(lǐng)域發(fā)表論文最多的國(guó)家分別是美國(guó)、意大利、英國(guó)和日本。目前，中國(guó)已成為平流層浮空器領(lǐng)域科技論文的主要來(lái)源國(guó)。從2013年起，空客國(guó)防與航天公司、泰利斯阿萊尼亞航天公司、谷歌和Facebook對(duì)平流層浮空器項(xiàng)目的投資，給平流層浮空器的發(fā)展帶來(lái)了新的希望。

參考文獻(xiàn)：

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