浮空器的結(jié)構(gòu)組成與發(fā)展現(xiàn)狀

張永剛

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510403）

引言

浮空器是一種利用輕于空氣的氣體（氫氣、氦氣或熱空氣），依靠大氣浮力升空的航空器。根據(jù)工作原理的不同，浮空器可分為飛艇和氣球兩大類。

圖1 浮空器分類框圖

其中，對流層飛艇和系留氣球是應(yīng)用較為廣泛的浮空器類型。飛艇相比于氣球的主要差異是增加了一套動力裝置，可以按照控制要求進行飛行。浮空器具有成本低、覆蓋面積大、駐空時間長、能耗小、載荷能力大、噪聲低等突出優(yōu)勢，在應(yīng)急救援、通信中繼、空中監(jiān)測、地理測繪等多個軍民領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 典型浮空器的結(jié)構(gòu)組成

1.1 飛艇的結(jié)構(gòu)組成

飛艇又稱作可操縱氣球，是一種裝有動力裝置、安定面和操縱面的流線型氣球，可自行控制飛行方向。從結(jié)構(gòu)角度劃分，飛艇可分為三種類型：硬式飛艇、半硬式飛艇和軟式飛艇[1]。

圖2 飛艇結(jié)構(gòu)外形圖

硬式飛艇是由其內(nèi)部骨架（金屬或木質(zhì)材料）保持形狀，外表覆蓋著蒙皮。骨架內(nèi)部則裝有許多為飛艇提供升力的充滿氣體的獨立氣囊，若其中一個小氣囊受損，整個飛艇的浮力不會完全喪失。硬式飛艇通常體積較大，可以攜帶較多的人員或貨物。

軟式飛艇通常由充滿氫氣（或氦氣）的氣囊組成，氣囊內(nèi)部有兩個副氣囊，設(shè)置在一前一后，有利于控制飛艇的高度和俯仰姿態(tài)。氣囊內(nèi)壓力通常比外界環(huán)境高約400Pa 左右，用來維持整個飛艇的氣動外形。尾部設(shè)有尾翼用以控制飛艇的姿態(tài)。

半硬式飛艇是利用氣囊中的氣體壓力保持其形狀，飛艇下部由縱向龍骨連接到上部的壓力氣囊結(jié)構(gòu)上，可以看作是在軟式飛艇基礎(chǔ)上增加了提升強度的龍骨結(jié)構(gòu)。

1.2 系留氣球系統(tǒng)的組成

如圖3 所示，系留氣球系統(tǒng)由空中部分（包括囊體結(jié)構(gòu)、工作載荷）、地面部分（包括收放線器、充氣裝置、錨泊裝置、地面電源）及中間連接部分（包括系留纜繩、數(shù)據(jù)傳輸纜）三大部分組成。

圖3 系留氣球系統(tǒng)組成示意圖

目前，較為先進的系留氣球除了球形囊體之外，還增加了升力翼及立面，如圖4 所示。升力翼為三角形狀，可借助風(fēng)力給囊體貢獻額外升力，風(fēng)力越大，產(chǎn)生的升力越大；立面使得浮翼始終保持迎風(fēng)方向，便于升力翼發(fā)揮功能。

圖4 囊體結(jié)構(gòu)示意圖

目前飛艇或系留氣球都使用安全性更好的氦氣，氦氣是惰性氣體，不會像氫氣那樣易燃易爆，并且可以回收循環(huán)使用，具備了綠色環(huán)保的優(yōu)點。

囊體大多采用復(fù)合材料，由特殊的高分子復(fù)合材料做成，包含承力織物層、耐候?qū)?、阻氣層、粘接層等，該?fù)合材料不僅質(zhì)量輕，而且強度高，不易變形，并且有很好的柔韌性和氣密性[2]。

2 國內(nèi)外浮空器的發(fā)展情況

2.1 國內(nèi)浮空器的發(fā)展

國內(nèi)浮空器的研究已有四十余年的歷史，最早開展浮空器研究的單位是中科院大氣物理研究所。目前已有眾多高校、研究所及企業(yè)開展了浮空器產(chǎn)品的研制工作，浮空器產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。

國內(nèi)從事浮空器研制的高校包括南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等；研究所包括中電三十八所、中航工業(yè)特飛所、航天五院、航天068 基地等；企業(yè)包括北京華航、上海達天、蘇州方舟等。

中航工業(yè)特種飛行器研究所在浮空器研究領(lǐng)域起步較早，于1985年研制出我國第一艘無線電遙控飛艇。2004年成功研制出我國第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的升空高度達1000 米的系留氣球平臺。近期中航工業(yè)特飛所研制了FKC-2 超視距遙控飛艇，該飛艇升空高度1500米，最大平飛速度72 千米/小時，最大載荷50 公斤?，F(xiàn)已覆蓋了無線遙控飛艇、充氦載人飛艇、系留氣球等全系列產(chǎn)品。

中國電子科技集團公司第三十八研究所下設(shè)有中國電科浮空平臺研發(fā)中心，先后研發(fā)出了包括國內(nèi)第一個定型浮空器產(chǎn)品在內(nèi)的系列產(chǎn)品，填補了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白，部分產(chǎn)品還在北京奧運會、上海世博會和廣州亞運會期間出色完成重點安保任務(wù)，得到各組委會的肯定。北京華航研制的軟式載人充氦飛艇，飛艇長度達38 米，氣囊容積近2000 立方米，最大飛行速度65 千米/小時，最大續(xù)航時間8 小時。成都神舟研制的開拓者3 號飛艇，飛行高度達2500 米，飛行速度達75 千米/小時，有效載荷35 公斤，飛行控制距離可達30 公里以上。上海達天研制的CA-80 型飛艇，艇長42 米，氣囊容積達2500 立方米，載客量4 人，最大載重652 公斤，飛行速度66 千米/小時，最大續(xù)航時間10 小時。

北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校主要從事平流層飛艇基礎(chǔ)理論和有關(guān)配套設(shè)施的研究。近期圓滿完成某型新概念浮空器臨近空間的往返飛行，并且飛行器全程處于受控狀態(tài)，在國內(nèi)首次實現(xiàn)安全回收且設(shè)備完好。此次飛行高度達2 萬米左右，基本抵達臨近空間的底部，也就是大氣層的平流層。平流層浮空器的留空能力可以達到數(shù)日，甚至數(shù)周、數(shù)月。在完美往返臨近空間的試驗之后，研發(fā)團隊將進一步延長浮空器的這種空中駐留能力。

近年來，我國在浮空器領(lǐng)域的設(shè)計、氣動仿真、升降與飛行控制、數(shù)據(jù)傳輸及材料工藝等方面都取得了較大提升，浮空器產(chǎn)業(yè)日益蓬勃。

2.2 國外浮空器的發(fā)展

近年來，已有多個國家正在大力開展各類浮空器產(chǎn)品的研究與開發(fā)。

飛艇方面，美國已將平流層飛艇列入無人飛行器系統(tǒng)的范疇，作為美國聯(lián)合作戰(zhàn)的重要組成部分。低空飛艇有洛克希德-馬丁公司的混合型低空飛艇，波音公司與加拿大skyhook 公司聯(lián)合研制的混合半硬式充氦氣飛艇，俄亥俄飛艇公司研制的重型混合式運輸飛艇PSC-1，諾斯羅普-格魯曼公司的長航時飛艇和MAV6 公司的“藍魔”飛艇等。約翰斯·霍普金斯大學(xué)開發(fā)了高空飛艇稱之為HARVE 驗證飛艇。俄羅斯有多家單位正在開展各系列飛艇的研制，包括多爾戈普德魯內(nèi)公司的“多用途高空飛艇平臺”，阿夫古里公司的“金雕”系列飛艇等。此外，英國先進技術(shù)集團公司研制有“天貓1000”巨型飛艇，澳大利亞Skylifter 公司研制有新型載人飛艇，德國Cargomier公司研制有CL-160 巨型飛艇等。

系留氣球方面，美國是研制系留氣球最多的國家，固定式系留氣球成功應(yīng)用于系留氣球雷達監(jiān)視網(wǎng)（TRAS）和系留艇載預(yù)警系統(tǒng)（JLENS）[3]。俄羅斯的系留氣球技術(shù)水平也較高，主要系留氣球產(chǎn)品有“美洲獅”和“美洲豹”系列，其中“美洲獅”系留氣球用以完成空中監(jiān)視等任務(wù)，其工作高度達5 千米，滯空時間25 天，有效載荷2000 公斤；“美洲豹”系留氣球工作高度4 千米，滯空時間30 天，有效載荷1700 公斤。另外，澳大利亞ALLSOPP HELIKITES 公司研制有FIREFLY 系留氣球系列產(chǎn)品。

3 浮空器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)簡介

目前，國內(nèi)浮空器標(biāo)準(zhǔn)只有中國民航局航空器適航司頒布的AC-21-08《載人自由氣球適航標(biāo)準(zhǔn)》和AC-21-09《飛艇適航標(biāo)準(zhǔn)》。浮空器的設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)尚無統(tǒng)一的行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)，這也在一定程度上制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

中電三十八所、中航工業(yè)特飛所等單位陸續(xù)編制了各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是不夠系統(tǒng)，不夠完善，影響了各單位之間的技術(shù)交流，也影響了浮空器產(chǎn)品的互換性和安全性。

國外浮空器標(biāo)準(zhǔn)也相對較少，主要包括英國民航適航性要求《Q 部軟式飛艇》，另一個是美國運輸部聯(lián)邦航空局頒布的《飛艇設(shè)計規(guī)范》（FAA-P-8110-2）。

4 結(jié)束語

隨著浮空器產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，越來越多的科研院所、企業(yè)進入了這個領(lǐng)域，競爭日趨激烈。未來十年將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵期，一方面國家層面應(yīng)該制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這樣產(chǎn)品的設(shè)計和制造才會有章可循。另一方面，各個研制單位應(yīng)該積極學(xué)習(xí)國外先進的技術(shù)經(jīng)驗，取長補短，進一步加大投入，使浮空器產(chǎn)業(yè)取得更大的成就。