簡(jiǎn)述平流層飛艇平臺(tái)的重要技術(shù)

摘要：平流層飛艇平臺(tái)只有在材料、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、導(dǎo)航和控制等領(lǐng)域提出創(chuàng)造性的技術(shù)解決方案，才能在各種氣候條件下定點(diǎn)在高空為人們提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：飛艇;技術(shù);解決方案

平流層飛艇平臺(tái)與低空飛艇和其他飛行器在關(guān)鍵技術(shù)上面有很大不同，平流層飛艇平臺(tái)的研制被認(rèn)為是世紀(jì)初的超級(jí)技術(shù)難題。

1材料技術(shù)

普通飛艇的外蒙皮外膜通常是由聚醋材料制成的，雖然聚醋材料有良好的性能，但其強(qiáng)度重量比決定了它并不適用于平流層飛艇。由于在平流層空氣稀薄、浮力小，因此具有輕質(zhì)高強(qiáng)度的材料是平流層飛艇長(zhǎng)期駐空必不可少的條件同時(shí)還必須對(duì)氦氣的密封性好，并且能夠抗紫外線、抗老化，適應(yīng)平流層的大氣環(huán)境。在材料技術(shù)方面，日本研制的膜材走在了世界的前列。

日本開(kāi)發(fā)的構(gòu)成平流層飛艇外膜的機(jī)能材料通常包括基布、氣體隔離材料和保護(hù)材料?；际潜３诛w艇內(nèi)壓，并確保強(qiáng)度的材料所使用的素材是聚苯炳惡腔纖維和聚芳酷纖維兩種，與鋼材相比剛度更大，而抗拉強(qiáng)度也很高。要制成尺寸巨大的飛艇外膜，必須采用快速的焊接技術(shù)，可以考慮高頻和熱融焊接。另外，在平流層底部，晝夜溫差很大，各種射線也很多，因此，飛艇外膜的反射與吸收特性也很重要。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平流層飛艇包括外膜、龍骨、氦氣囊、尾翼以及推進(jìn)裝置等部分。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證飛艇滿(mǎn)足各種性能要求的前提。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要考慮的應(yīng)是如何使飛艇變的“更輕”，另外，還要考慮飛艇的穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性及抗風(fēng)性能等。目前，各國(guó)采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案都不相同，但從減小阻力系數(shù)以及操縱性方面考慮，大多采用橢球體形狀。為保持形狀，飛艇中大多充有增壓空氣，壓強(qiáng)略高于外界。艇身下方一般裝有吊籃，可以作為運(yùn)輸、監(jiān)控等的平臺(tái)。飛艇尾部尾翼大多為形或形，尾翼上帶有升降舵和方向舵等航空控制舵面。由于尾翼的大小及形狀關(guān)系到飛艇的穩(wěn)定性以及控制性能，研究表明，形尾翼具有最好的穩(wěn)定性，大部分采用這種形狀，形尾翼具有較好的控制性能。

3能源技術(shù)

對(duì)于平流層飛艇來(lái)說(shuō)，如何長(zhǎng)期提供源源不斷的能量是其動(dòng)力系統(tǒng)所面臨的最大挑戰(zhàn)。這只有通過(guò)發(fā)展先進(jìn)的能源技術(shù)來(lái)解決。目前，平流層飛艇平臺(tái)采用的能源技術(shù)解決方案主要有兩種一種是太陽(yáng)能電池結(jié)合蓄電池來(lái)提供能量，另一種是太陽(yáng)能電池和再生燃料電池共同儲(chǔ)存和提供能量。第一種方案具體應(yīng)用時(shí)，是由太陽(yáng)能電池在白天把光能轉(zhuǎn)化為電能，并在提供連續(xù)電能的同時(shí)，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，到了夜晚再由蓄電池供電。第二種方案同樣是由太陽(yáng)能電池在白天完成光能到電能的轉(zhuǎn)換，但同時(shí)還利用電解將燃料電池產(chǎn)生的水轉(zhuǎn)變成氫和氧，到了夜間，燃料電池就利用儲(chǔ)存的氫和氧產(chǎn)生電能和水，并將產(chǎn)生的水儲(chǔ)存下來(lái)以用于下一個(gè)電解周期。太陽(yáng)能電池和再生燃料電池盯都是可以直接產(chǎn)生電能的綠色能源技術(shù)，具有效率高、無(wú)污染、可長(zhǎng)期使用等特點(diǎn)，但在平流層實(shí)際使用時(shí)，還必須考慮輕便、高效和可靠性等諸多因素。

4控制技術(shù)

4.1壓力控制

平流層飛艇是充氣的柔性體，需要通過(guò)壓力控制使其在飛行過(guò)程中保持內(nèi)外壓力平衡，從而保持整個(gè)飛艇的外部形狀。一般通過(guò)對(duì)飛艇內(nèi)部的空氣囊進(jìn)行充放氣來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力控制。在飛艇上升期間，外部壓力降低，為避免飛艇外形過(guò)渡膨脹而引起爆裂，就需要通過(guò)差壓閥門(mén)放氣以保持內(nèi)外壓力平衡。在飛艇下降過(guò)程中，隨著高度降低，外部壓力增加，則需要打開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行充氣，維持差壓。在定點(diǎn)時(shí)，由于溫度變化，也會(huì)使飛艇內(nèi)部壓力發(fā)生變化，從而影響飛艇外形，也需要通過(guò)壓力控制來(lái)維持內(nèi)外壓力平衡。

4.2姿態(tài)控制

飛艇轉(zhuǎn)彎和爬升都需要姿態(tài)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。飛行姿態(tài)控制包括俯仰姿態(tài)控制和偏航姿態(tài)控制。平流層飛艇姿態(tài)控制主要有控制舵面角偏轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整俯仰和偏航角控制頭、尾兩端的空氣囊充氣或放氣來(lái)調(diào)整俯仰角通過(guò)調(diào)整推力的方向及大小來(lái)改變姿態(tài)等。

4.3定點(diǎn)控制

定點(diǎn)的概念是指在長(zhǎng)期駐空過(guò)程中，平流層飛艇能夠在指定的范圍內(nèi)保持相對(duì)地面靜止。由于在駐空期間，飛艇往往會(huì)受到風(fēng)、熱氣流以及晝夜溫度變化等各種擾動(dòng)而偏離原來(lái)的位置。因此必須采用相應(yīng)的控制策略，使飛艇在這種情況下能夠自動(dòng)的回歸到定點(diǎn)位置并保持靜止。

4.4溫度控制

平流層的晝夜溫差很大，分析表明，由于太陽(yáng)能電池吸收效率低，溫差造成艇體內(nèi)部氣體溫度和壓力變化，繼而影響到飛艇的外形和浮力，造成飛艇的高度漂移、姿態(tài)變化和抗風(fēng)能力下降等。在這方面，日本的進(jìn)行了深入研究，給出了熱解析評(píng)價(jià)的結(jié)果，為研究溫度變化對(duì)飛艇的影響提供了方法和依據(jù)。

5結(jié)語(yǔ)

平流層飛艇平臺(tái)的廣闊應(yīng)用前景越來(lái)越引起世界各國(guó)的關(guān)注，只有在材料、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、導(dǎo)航和控制等領(lǐng)域提出創(chuàng)造性的技術(shù)解決方案，能在各種氣候條件下定點(diǎn)在高空為人們提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]甘曉華，郭穎飛艇技術(shù)概論[M]，北京國(guó)防工業(yè)出版社，2018

[2]王先國(guó)，競(jìng)爭(zhēng)向平流層擴(kuò)展[N]，解放軍報(bào)，2018.6

[3]候東興，浮空器在軍事斗爭(zhēng)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J]，航空兵器，2019.4

作者簡(jiǎn)介：葉彬彬（1990.5—）初級(jí)工，安徽長(zhǎng)豐人，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究

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