簡述美國高空浮空器的發(fā)展情況

摘要：空浮空器是指由充滿輕質(zhì)氣體的囊體產(chǎn)生浮力、任務(wù)高度處于距離地球表面20～100Km、能執(zhí)行長期駐留任務(wù)的飛行器。無論從軍事還是民用上來看，高空氣球都擁有極高的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略價值，目前已經(jīng)成為各國爭相研究的熱點。

關(guān)鍵詞：高空浮空器，發(fā)展，戰(zhàn)略價值

1高空浮空器發(fā)展特性

對于常規(guī)飛行器來說，臨近空間空氣過于稀薄，一般航空發(fā)動機難以在此高度長期飛行;對于衛(wèi)星來說，這個高度需要衛(wèi)星質(zhì)量太大，不能持久保持軌道運行。因此目前很少有飛行器在臨近空間執(zhí)行長期任務(wù)。高空氣球攜帶高效太陽能電池板和蓄電池，為動力和導(dǎo)航系統(tǒng)、機載設(shè)備提供持久能源供應(yīng)，可以在20km以上高空駐留幾個月。這個特點使高空氣球可以用來進行通信或?qū)艽蠓秶鷧^(qū)域進行監(jiān)測和監(jiān)視;在民用方面可以代替同步衛(wèi)星進行通信、電視轉(zhuǎn)播、監(jiān)視、科學(xué)實驗，使造價大幅度下降;軍用方面可以作為具有軍用通信、遠程偵查、情報、導(dǎo)航、預(yù)警等功能的通用平臺。無論從軍事還是民用上來看，高空氣球都擁有極高的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略價值，目前已經(jīng)成為各國爭相研究的熱點。

用單個氣球攜帶載荷升空有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕等特點，是浮空器發(fā)展的一個重要方向。平流層氣球浮空器有兩種類型，分別為零壓氣球和超壓氣球。若氣球內(nèi)部任一點壓強都大于外界大氣壓，稱之為超壓氣球;若氣球最低點壓強等于或小于外界大氣壓，則稱之為零壓氣球。氣球浮空器內(nèi)部氣體溫度晝夜溫差較大，可能達到50℃。在如此大溫差下，零壓氣球體積變化劇烈，在晚上必須拋掉較多壓艙物才能維持足夠的浮力。一般零壓氣球只能持續(xù)工作數(shù)天。為了獲得較長的駐留時間，并在夜晚氣體溫度降低時體積基本不變，仍保持足夠的浮力，較多的高空氣球被設(shè)計成超壓氣球。

2美國發(fā)展情況

按照美導(dǎo)彈防御局的設(shè)計要求，高空飛艇將是一種新型的、無人操縱的未拴系飛艇，要能在2.1萬米高的空域游弋，能在美國邊緣地區(qū)上空滯留一年時間，且無須添加燃料。這個優(yōu)點是無人機和高空偵察機無法做到的。它使用太陽能和電力發(fā)動機驅(qū)動螺旋槳，除提供飛艇運行動力外，還能提供10千瓦的動力，以便攜帶重達1.814噸的監(jiān)視與通信系統(tǒng)。它的再生的氫燃料電池可為這種未拴系飛艇提供補充的動力源。

巨型飛艇所在的工作高度，空氣密度僅是接近地面空氣密度的1/20。所以空氣靜力的擴張對于設(shè)計和制造高空飛艇有很大影響。在1.9萬米以上的平流層高度，風(fēng)速比人們在地面上看到的要柔和得多。它既有自主飛行的能力，又有遙控飛行的能力。它有一個飛行推進裝置，能在任何時間里飛行。巨型飛艇的起飛、下降和返回都能進行控制。巨型高空飛艇從墨西哥灣的海上各條通道上巡邏至美國西南邊境，再返回到華盛頓州。艇上攜帶的雷達可提供良好的互相重疊的探測覆蓋面，探測面積差不多可以覆蓋美國整個大陸。在1.9萬米以上高度，雷達的覆蓋面是一個圓形，直徑大約可達1200公里。地面雷達很難探測到在1.9萬米高度上的飛艇，因為制造飛艇用的輕型纖維材料具有隱形性能，模糊或減弱了飛艇自身的特征標記。

質(zhì)量輕、強度高、漏氣率低的囊體材料技術(shù)是浮空器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了提高單位體積凈浮力，質(zhì)量輕的蒙皮材料成為人們研究的目標。目前國內(nèi)能生產(chǎn)的聚氨酯材料可以達到0.06mm厚度，密度約為60g/m2，國外材料厚度可達0.003mm。當(dāng)氣球體積增大時，氣體膨脹后氣球蒙皮曲率半徑變大，使氣球蒙皮材料應(yīng)力增加很快，對于大尺寸的氣球，應(yīng)該采取必要的措施降低應(yīng)力。

為了使氣球能安全穩(wěn)定工作，蒙皮材料應(yīng)具有足夠的強度。氣球蒙皮材料選擇要考慮到強度、模量和變形率之外，氣球相關(guān)的加工能力、耐久性、環(huán)境效應(yīng)甚至價格都要考慮到。一些研究表明在氣球蒙皮材料間添加加強筋（外形像南瓜，被稱為“南瓜狀氣球）能有效減小蒙皮變形曲率，從而減小蒙皮應(yīng)力水平?！澳瞎稀睜顨馇蛟O(shè)計的主要傳力材料是加強筋，并且加強筋材料能夠在局部減小氣球曲率半徑，然而南瓜狀氣球在設(shè)計和制造過程中表現(xiàn)出不穩(wěn)定特性，一些文獻研究了不穩(wěn)定產(chǎn)生的機理。

在一定的任務(wù)時間內(nèi)，如果材料的漏氦率越低，則氣球初始充氣量就可以減小，從而可以使氣球初始設(shè)計超壓水平減低，減小氣球材料應(yīng)力。影響氣球蒙皮材料應(yīng)力的另外一個因素是囊體材料的初始形狀。氣球應(yīng)力最小的外形是使氣球變形前和氣球變形后形狀相同的外形。氣球內(nèi)部充滿輕于空氣的氣體并升空后，低空形狀近似于橢球加圓錐形，高空形狀近似水滴形，超壓較大時為橢球形。美國的F.Baginski研究了氣球形狀設(shè)計的兩種方法，并給出了初步形狀設(shè)計。當(dāng)高度進一步增加（內(nèi)外壓差進一步增大）、氣球處于超壓狀態(tài)時，其形狀開始變得扁平。國外為了促進高空氣球（包括高空氣球）設(shè)計技術(shù)需求，對高空氣球的研究比較深入。國內(nèi)對薄膜材料受力分析大都合建筑中的膜結(jié)構(gòu)有關(guān)。這類結(jié)構(gòu)不是封閉的，與氣球變形有一定區(qū)別。分析方法多是采用有限元軟件計算。對于氣球這種體積封閉的大型充氣薄膜結(jié)構(gòu)在內(nèi)外壓差作用下的受力情況，國內(nèi)還沒相關(guān)研究先例。

3結(jié)語

由于浮空器在軍事和民用中的多種優(yōu)點，相關(guān)研究工作正在逐漸成熟。而國內(nèi)研究正在高速追趕國際水平。但由于基礎(chǔ)弱、起步晚，要達到國際先進研究水平還有很長的路要走。

參考文獻

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作者簡介：仇世文（1985.7—）安徽合肥人，高級工，主要從事浮空器全工藝流程研究