用飛艇運輸LNG開辟能源新通道的初步構(gòu)想

李劍

（中國石油西南油氣田公司川西北氣礦計量監(jiān)測中心）

0 引言

LNG（液化天然氣）體積僅為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625，可以大幅節(jié)約儲運空間，在長距離運輸時能有效降低單位運輸成本，因此LNG運輸已成為世界天然氣長距離輸送的主流［1］。

由于我國環(huán)保要求日益提高，我國的LNG進口呈現(xiàn)快速上升趨勢，目前已成為全球進口LNG最多的國家。儲量大且距離我國直線距離較近的LNG產(chǎn)區(qū)主要有中東地區(qū)和俄羅斯亞馬爾氣田，這兩個產(chǎn)區(qū)也是我國進口LNG的可靠來源地區(qū)。目前，進口LNG的運輸方式是用 LNG運輸船運送至我國沿海港口，再由LNG罐車轉(zhuǎn)運到內(nèi)陸地區(qū)。由于大陸島的阻擋，從中東地區(qū)和俄羅斯亞馬爾地區(qū)到我國的海運航線繞行大、路途遠、耗時長，不僅造成運輸成本和運輸時間大幅上升，還會經(jīng)過多個敏感的運河、海峽、列島和半島，受海盜、恐襲、地緣局勢緊張、地區(qū)沖突的影響較大，海運航線極易被干擾或封鎖，給我國能源供應造成困難，進而對我國的經(jīng)濟和民生造成較大影響，這就是我國目前面臨的進口能源海運困局。因此，為保障我國進口能源通道的安全，本文提出用飛艇運輸LNG，開辟新的能源運輸通道的戰(zhàn)略技術(shù)構(gòu)想。

1 飛艇的興衰史及現(xiàn)代發(fā)展動態(tài)

飛艇是一種輕于空氣的航空器，分為軟式飛艇、半硬式飛艇和硬式飛艇。飛艇由巨大的流線型艇身、位于艇身下面的駕駛室、起穩(wěn)定控制作用的十字形尾面和矢量推進器組成。艇身內(nèi)設有多個氣囊，充以密度比空氣小的浮升氣體（氫氣或氦氣），以產(chǎn)生浮力使飛艇升空；駕駛室供人員駕駛、乘坐和裝載貨物；十字形尾面用來控制和保持航向、俯仰的穩(wěn)定；矢量推進器用于推動飛艇和控制飛艇姿態(tài)。

在人類交通運輸史上，飛艇是最早使用的空中交通運輸工具，曾在歐洲、美洲和亞洲之間完成了大量洲際運輸任務。早在1926年人類就駕駛飛艇到達北極點。1928年，德國“齊柏林伯爵號”飛艇用20 d時間完成首次環(huán)球飛行，航程達35 000 km，隨后又進行了144次越洋跨洲飛行，顯示了飛艇的超長航程和強悍續(xù)航能力。在20世紀30年代，美國建造了86艘飛艇，英國建造了72艘，德國建造了188艘，法國建造了 100艘，飛艇成為當時遠程運輸?shù)闹匾侄?，飛艇發(fā)展進入黃金時期。1936年充裝氫氣的“興登堡號”飛艇開辟了德國與美國及德國與巴西之間的遠程洲際航班，進行跨大西洋的載客飛行，其最大可用升力113 t，在飛艇艇身內(nèi)建造了一個包括客房、餐廳、廚房、觀光走廊、酒吧等設施的兩層樓小型空中旅店，飛行時巡航速度達到了121 km/h，用兩天多時間即可橫跨大西洋完成德國與美國之間的航程，航速是輪船的2～3倍?！芭d登堡號”飛艇在1936年3月首飛至1937年5月?lián)p毀的 14個月內(nèi)就在德國與美國及德國與巴西之間執(zhí)行了 37次橫跨大西洋的航班任務，平均每12 d橫跨大西洋一次，實現(xiàn)了常態(tài)化飛行，在歐洲與美洲之間運載了數(shù)千名旅客，并搭載了一些貨物［2-4］。

但當時的氦氣生產(chǎn)大國美國把氦氣列為戰(zhàn)略物資，并禁止出口，許多飛艇只能采用易燃易爆的氫氣作為浮升氣體，為當時的飛艇埋下了安全隱患。后來因為“興登堡號”飛艇氫氣自燃事故使人們不再信任氫氣飛艇的安全性，加上速度更快的飛機日趨成熟，造成飛艇衰落。

近年來，很多國家也發(fā)現(xiàn)了氦氣資源，飛艇采用氦氣作浮升氣體開始普及。氦氣為不燃不爆的惰性氣體，充裝氦氣的飛艇能有效解決安全問題。自從飛艇采用氦氣作浮升氣體后，未再發(fā)生艇毀人亡事故，證明了氦氣飛艇的安全性，加上飛艇的運輸成本低、航程遠、速度快、運載量大、造價低、節(jié)約能源、無需機場就能裝卸貨物等優(yōu)點，氦氣飛艇受到各國重視，處于東山再起態(tài)勢。如，美國軍方已研制成功的“塘鵝”號飛艇盡管自重才16 t，但載重卻能達到驚人的66 t，這與C-17戰(zhàn)略運輸機執(zhí)行跨洲飛行時的載重能力相當。而且研制和建造“塘鵝”的費用總共才 3 500萬美元，相比之下，一架C-17運輸機出售給印度的國際售價高達 5.8億美元，這說明飛艇具有較高的性價比。此外由于飛艇懸浮于空中不需要額外動力，因此“塘鵝”對燃料的需求也很少，能輕松進行跨洲飛行?！疤六Z”的使用成本低得足以和海運相當，而航速卻是貨船的 3倍，這使“塘鵝”號飛艇在貨運領域具有較大用途。美國全球航空公司研制的Aeroscraft型飛艇分為66 t和250 t兩個載重版本，航速達到185 km/h（圖1為美國研制的Aeroscraft型飛艇正在起飛）。此外，美軍曾計劃研制的“海象”大型飛艇能攜帶 500 t以上載荷，可在7 d內(nèi)飛行2×104km，能在2 d內(nèi)穿越大西洋，后來因經(jīng)費問題被國會終止。英國正在研制的天貓1000巨型飛艇，其最大有效載荷可達1 000 t。另外，法國、德國、俄羅斯等國都計劃研制巨型飛艇，用于戰(zhàn)略軍事運輸或商業(yè)運營［5-9］。

圖1 美國研制的Aeroscraft型飛艇

我國近期也正在研制開發(fā)一些型號的飛艇，如，飛宇MG-2009軍事飛艇、CA-60T載重飛艇、CA-800型組合式載重飛艇、CA-3000型組合式載重飛艇等。其中，CA-60T載重飛艇最大起飛重量為187 t，最大商業(yè)載重60 t，最大航速155 km/h，經(jīng)濟航速120 km/h，該型飛艇已研制完畢，正在試飛（圖2為正在試飛的 CA-60T 載重飛艇［10］）。

圖2 我國CA-60T載重飛艇

2016年在第十一屆珠海航展期間，中航通用飛機有限公司和法國飛鯨控股公司聯(lián)合發(fā)布了中法合作研制載重60 t的LCA60T飛艇項目（圖3為中法聯(lián)合研制LCA60T型飛艇整體吊運鉆井隊井架效果圖［11］）。這些型號的開發(fā)經(jīng)驗為后續(xù)研制LNG運輸飛艇打下了良好基礎。

圖3 中法聯(lián)合研制的LCA60T型飛艇

2 LNG運輸飛艇的構(gòu)想

2.1 LNG運輸飛艇的結(jié)構(gòu)形式

用于運輸LNG的飛艇稱為LNG運輸飛艇，采用充注氦氣的硬式或半硬式飛艇，艇身骨架主要由鋁合金和碳纖維制作，外殼采用聚酯薄膜，內(nèi)裝多個氦氣氣球為其提供升空動力。艇身前部下方設有駕駛室，艇身兩側(cè)安裝有可轉(zhuǎn)向的矢量螺旋槳推進器，艇身尾部有十字形尾面，尾面上有舵面用于控制飛艇的方向和姿態(tài)［12］。飛艇的 LNG運輸罐罐體與LNG運輸罐車上的罐體基本一致，但體積更大。它由一個碳鋼真空外筒和一個與其同心的奧氏體不銹鋼制內(nèi)筒組成，內(nèi)外筒之間為真空絕熱層。目前LNG運輸罐車已被大量運用于陸地LNG運輸，LNG運輸罐的制造和使用技術(shù)已十分成熟，因此制造飛艇的LNG運輸罐有成熟的技術(shù)可供借鑒。

按運輸罐的安置方式可把 LNG運輸飛艇分為吊裝結(jié)構(gòu)或內(nèi)藏結(jié)構(gòu)。吊裝結(jié)構(gòu)即將運輸罐用鋼繩吊掛于艇身下方，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。艇身下部用多根鋼繩懸掛于LNG運輸罐的吊耳上，鋼繩與運輸罐的吊耳之間采用自鎖連接并可解鎖拆卸，鋼繩由艇身上的卷揚機控制升降。

圖4 吊裝結(jié)構(gòu)LNG運輸飛艇

吊裝結(jié)構(gòu)的飛艇運輸LNG采用倒罐運輸方式，即：在LNG產(chǎn)地飛艇懸停于運輸罐上方，用卷揚機吊起充裝好的滿運輸罐，取直線飛往LNG銷售地。到達LNG銷售地后，開啟卷揚機放下滿運輸罐，再吊起空運輸罐飛往LNG產(chǎn)地，卸下空運輸罐，吊裝上滿運輸罐飛往LNG銷售地。如此循環(huán)往復實現(xiàn)倒罐運輸。

飛艇采用吊裝結(jié)構(gòu)優(yōu)點明顯，即：采用倒罐運輸可以減少裝卸等待時間，從而提高運輸效率，同時可通過更換不同貨物的運輸罐實現(xiàn)多種貨物運輸，并且在裝卸時飛艇只需大致懸停于運輸罐上方即可，大大降低了系留要求。但其缺點也很明顯，即會增大飛行中的空氣阻力。

若將運輸罐安置于艇身內(nèi)部形成內(nèi)藏結(jié)構(gòu)，如圖5所示，則會降低空氣阻力，長途飛行節(jié)能顯著，但無法實現(xiàn)倒罐裝卸和多種貨物運輸，且裝卸時對飛艇的系留要求較高，裝卸等待時間也較長。因此，通過對兩種方案的比較得出選型方案為：短途運輸時LNG運輸飛艇宜采用吊裝結(jié)構(gòu)，而長途運輸則應采用內(nèi)藏結(jié)構(gòu)。

圖5 內(nèi)藏結(jié)構(gòu)LNG運輸飛艇

2.2 增加LNG運輸飛艇運載量的方法

與船舶相比，單艘飛艇的運載量有限，因此可以將多艘飛艇組成飛艇機隊一起運輸，以提高單次運輸?shù)倪\載量。由于飛艇取直線飛行可大大減少運輸距離，加之飛艇航速較船舶快3倍的優(yōu)勢，在距離減少和航速更快的情況下，單次運輸時間可大幅減少，在船舶往返運輸一次的時間段內(nèi)飛艇機隊已經(jīng)往返運輸了數(shù)十次。依靠飛艇如此高的運輸效率加上飛艇機隊較大的運載量，在相同時間段內(nèi)飛艇機隊的運載量可以接近船舶的水平。

3 用飛艇運輸LNG的可行性初探

3.1 技術(shù)經(jīng)濟可行性

由于飛艇不會像船舶那樣受大陸島的阻擋，用LNG運輸飛艇可為我國開辟獨立于海運航線之外的新的能源通道，主要包括：（1）“伊朗—巴基斯坦能源通道”（簡稱“伊-巴能源通道”）——LNG運輸飛艇從中東運載LNG，經(jīng)伊朗、巴基斯坦飛入我國。（2）“俄羅斯—中國能源通道”（簡稱“俄-中能源通道”）——LNG運輸飛艇從俄羅斯、蒙古飛入我國。

與船舶海運LNG相比，用LNG運輸飛艇開辟的“伊-巴能源通道”和“俄-中能源通道”有一定的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1.1 運輸成本低

以中東地區(qū)運往我國華北地區(qū)的 LNG為例，LNG運輸船到達我國需繞行印度半島和中南半島，到達我國華北地區(qū)的路途約達 11 800 km，若利用LNG運輸飛艇機隊從“伊-巴能源通道”飛入我國，其LNG運輸路程僅約5 300 km，航程縮短一半以上，在地緣上屬于明顯的抄近路運輸，在飛艇單位運輸成本和海運相當?shù)那闆r下，航程大幅縮短可節(jié)省大量運輸成本。

再如，LNG從俄羅斯亞馬爾地區(qū)經(jīng)海路運往我國華北地區(qū)需繞行歐亞大陸，夏季航道（又稱北極航道）繞行白令海峽，航程10 700 km，耗時約18 d；冬季航道繞行歐洲，航程24 100 km，耗時約36 d。若用飛艇運輸LNG，從亞馬爾直飛我國華北地區(qū)航程為4 262 km，僅為夏季航道的40%、冬季航道的18%，抄近路效果顯著，可大幅減少運費。

對我國來說，亞馬爾海運夏季航道開通將比冬季航道減少55%的航程，每年能節(jié)省1 200多億元海運成本。若用飛艇開通“俄-中能源通道”，由于航程更短，每年節(jié)省的LNG運輸成本將會更多。而“伊-巴能源通道”也較傳統(tǒng)海運航線縮短 50%以上，在飛艇的單位噸公里運費與船運相當?shù)那闆r下，也能為我國節(jié)省大量的進口能源運輸成本。因此，開通“伊-巴能源通道”和“俄-中能源通道”能為我國帶來顯著的經(jīng)濟效益。

3.1.2 運輸效率相近

假如LNG飛艇經(jīng)濟航速為120 km/h，用飛艇經(jīng)“俄-中能源通道”運輸LNG的單邊行程耗時為：4 262 km÷120 km/h = 35.5 h，即1.5 d，在不考慮裝卸時間的前提下往返一次需3 d。冬季輪船一個往返（從亞馬爾到華北再返回亞馬爾）路途需72 d，而飛艇在這一時段內(nèi)可往返24次，假如用10個飛艇組成運輸機隊，每艇LNG裝載量為250 t，則在輪船一個往返周期內(nèi)，飛艇機隊可運載6×104t，其在相同時間內(nèi)的運載量與船舶相差不大。

若未來能投入載重500 t的LNG運輸飛艇，則可能使飛艇機隊的運輸效率超過船舶。

3.1.3 終端分配轉(zhuǎn)運具有較大優(yōu)勢

用船舶運輸進口LNG只能到達沿海港口，要供應內(nèi)陸城市需要用LNG罐車二次轉(zhuǎn)運，這種二次轉(zhuǎn)運增加了運輸工作量和成本。若采用飛艇運輸進口LNG，由于飛艇不受地形地貌限制，可將LNG從產(chǎn)地直接運送至內(nèi)陸任何城市，不需二次轉(zhuǎn)運，實現(xiàn)“門對門運輸”，與船舶運輸 LNG相比能大幅降低運輸工作量和成本。

飛艇能實現(xiàn)“門對門運輸”這一優(yōu)點不僅可用于進口LNG運輸，在國內(nèi)一些LNG運輸線路中也有優(yōu)勢。如，西藏現(xiàn)在所用的LNG是用LNG罐車從青海油田運入的［13］，這種運輸方式需要罐車翻越地形險峻的青藏高原，不僅運輸難度大而且運輸成本高，若用飛艇執(zhí)行該線路LNG運輸，則能避開青藏高原的地險，從而降低運輸難度和運輸成本。

從上面的分析可看出，與傳統(tǒng)的海運 LNG相比，用飛艇運輸LNG在技術(shù)經(jīng)濟上有其獨特優(yōu)勢。LNG運輸飛艇雖然單艇運載量遠遠低于船舶，但飛艇所具有的抄近路、速度快、“門對門運輸”的優(yōu)勢卻是海運所難以達到的，通過飛艇機隊抄近路快速往返仍可達到較高的運輸效率。由于用飛艇運輸LNG具有這些獨特優(yōu)勢，用飛艇運輸LNG在技術(shù)經(jīng)濟上是可行的，未來有望成為與海運LNG并行共存的LNG運輸方式。

3.2 工程可行性

3.2.1 航道問題

“伊-巴能源通道”和“俄-中能源通道”需穿過伊朗、巴基斯坦和俄羅斯、蒙古的領空，這些國家都是我國傳統(tǒng)友好國家，航道在這些國家容易獲得其政府的批準。同時，飛艇在空中飛行，與管道建設相比，無需在當?shù)卣鞯睾烷_挖建設，不會在當?shù)禺a(chǎn)生擾民和生態(tài)環(huán)保問題，對當?shù)鼐用袢粘Ｉ畈划a(chǎn)生干擾，容易獲得當?shù)孛癖姷闹С趾驼J可。因此，“伊-巴能源通道”和“俄-中能源通道”的航道問題在政府層面和民間層面都容易獲得認可和支持。

3.2.2 安全問題

從中東或俄羅斯亞馬爾地區(qū)到我國的海運航線需要經(jīng)過許多海域、海峽及沿海國家，受海盜、恐襲、地緣局勢緊張、地區(qū)沖突的影響較大，非和平時期容易中斷［14-20］。用LNG運輸飛艇開辟的“伊-巴能源通道”和“俄-中能源通道”在伊朗、巴基斯坦、俄羅斯和蒙古境內(nèi)飛行，外部勢力很難干擾破壞，在非和平時期能夠保證我國進口能源通道的安全，相比海運航線更安全。在海運航線中斷的情況下，用飛艇沿“伊-巴能源通道”和“俄-中能源通道”仍可為我國運輸進口LNG，在特殊時期甚至可更換運輸罐執(zhí)行油料運輸任務，因此用飛艇運輸LNG作為我國進口能源通道的“備胎”具有戰(zhàn)略意義。

3.2.3 政策對能源新通道的影響

飛艇在航空領域?qū)儆凇暗图夹g(shù)”，其技術(shù)在 20世紀初葉就已非常成熟并獲得大規(guī)模商業(yè)運用。經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，LNG運輸飛艇所涉及的航空技術(shù)和油氣儲運技術(shù)與 20世紀初相比已有巨大進步，以更先進的現(xiàn)代技術(shù)研制LNG運輸飛艇在技術(shù)層面并不存在較大難題，難點在于政策的支持，即有關部門是否重視并愿意投入資源和經(jīng)費。

我國有關部門應重視開辟“伊-巴能源通道”和“俄-中能源通道”的戰(zhàn)略意義，在政策、資源和經(jīng)費上提供支持，促成石油企業(yè)和航空企業(yè)聯(lián)合研制，使我國能盡快建立起進口能源運輸線路的“備胎”，以保障我國進口能源的安全。

3.2.4 兩頭接駁問題

與罐車運輸LNG一樣，LNG運輸飛艇也涉及兩頭接駁問題。對吊裝結(jié)構(gòu)的LNG運輸飛艇，可采用倒罐運輸方式，通過換罐完成接駁，其接駁方式簡單。對內(nèi)藏結(jié)構(gòu)的LNG運輸飛艇，則需用纜繩固定好飛艇，并用保溫軟管把飛艇運輸罐和地面LNG儲罐連接起來，啟泵完成LNG的裝入或卸載，其接駁方式與LNG罐車相似。

4 建議

由于 LNG運輸飛艇是油氣儲運技術(shù)與航空技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，屬于石油和航空的交叉學科，因此還有一些具體技術(shù)需要深入研究和完善，包括大載量飛艇的研制、大型飛艇抗風技術(shù)、飛艇機隊的智能編組及調(diào)度技術(shù)、LNG飛艇系留場的設計、系留場接駁裝置的合理安放、飛艇大型LNG運輸罐的研制、飛艇LNG運輸罐的防雷擊技術(shù)、飛艇航道氣象保障技術(shù)等等，其中大載量飛艇的研制及飛艇大型LNG運輸罐的研制是關鍵點。

為完成這些研究，需要我國有關部門協(xié)調(diào)石油企業(yè)和航空企業(yè)強強聯(lián)合，協(xié)同攻關，盡快完成相關的技術(shù)研究，并制作小型LNG運輸飛艇進行先期試驗，在獲得試驗數(shù)據(jù)的基礎上制造實用的LNG運輸飛艇進行國內(nèi)的LNG運輸，待運行成熟后再開辟國際LNG運輸航線，使LNG運輸飛艇早日投入使用，以達到降低進口能源運輸成本、保障我國能源安全的目的。