總長度大約200m的大型平流層飛艇構成的空中平台將為實現平流層通信、廣播以及地球遙感遙測提供合適的載體。由於平流層飛艇要完成從地表面到20km高空這樣大跨度的飛行任務，因此，平流層飛艇的設計與製造具有和以往的低空飛艇所不同的特點與要求。它要求根據平流層的大氣特性，對平流層飛艇的構造、能源系統、動力系統以及控制系統進行合理的分析與設計。國際上從事平流層飛艇開發與設計的公司主要有美國的Sky Station International Corp.、Skysat Communications Network Corp. 、Nonlinear Ion Dynamics Corp. 以及日本的科學技術廳航空宇宙技術研究所和川崎重工株式會社與富士重工株式會社等大公司。
基本介紹
- 中文名：平流層空中平台
- 外文名：Stratosphericplatform
平流層的大氣特性,空中平台系統的組成,平台的物理結構,平台的浮力控制系統,平台的電源系統,
平流層的大氣特性
平流層飛艇將安放在距地表大約21km高度的平流層。在這個高度，我國大部分地區高空大氣密度大約為海平面的4.7%～5%，風力也相應變弱。在對流層空間，高度每升高1km，溫度就減少大約7℃，而在平流層空間，壓力和溫度基本恆定。當高度超過20km到達臭氧層時，由於太陽紫外線的吸收和加熱作用，溫度又隨高度的升高而上升。
全球的平流層溫度分布與緯度有關，處於夏天的半球部分，其平流層溫度較高；而處於冬天的半球部分，其平流層溫度則較低。平流層的大氣循環在夏天半球是由東向西，而在冬天半球則是由西向東，它與對流層的常年由西向東的高速氣流不一樣，平流層氣流的風向一年改變2次。這種風向的變換多發生在夏季，而在冬季，平流層風速的變化很小。夏季的平流層風速比較小，而且平流層風速隨著緯度的增加而減少。我國東北地區的夏季平流層平均風速大約為4～6m/s，最大風速約為15m/s，上海地區上空的夏季平流層平均風速大約為8～10m/s，最大風速約為20m/s。而冬季的平流層風速比較大，且除北極圈附近以外的北半球地區，風速隨著緯度的增加而增加，我國東北地區的冬季平流層平均風速大約為21～24m/s，最大風速約為60m/s。上海地區上空的冬季平流層平均風速大約為15m/s，最大風速約為35m/s。
雖然對流層空間的大氣變化對平流層空間的直接影響看上去不是很明顯，但在對流層空間的亂流引起的大氣波動在向上方傳播時，會對平流層產生間接影響。因此，從大氣波動力學的角度來看，平流層與對流層是密切相關的。當大氣的波動向上無衰減傳播時，每單位體積的波動能量近似保持為。其中，表示大氣密度，表示由於大氣波動引起的風速變化的振幅。當隨高度減小時，以指數方式增加。因此，發生在對流層的微小的風速變化，向上到達平流層時也會有相當的影響。
發生在對流層空間並向上傳達到平流層的大氣波動，通常有Rosbi波、大氣潮汐波以及大氣重力波等，在低緯度地區，還有赤道波。這些大氣不僅僅是自下而上地通過對流層，而且，各種波動之間以及這些波動與常規風速之間的相互作用，都會給平流層的大氣力學變化以很大的影響。
空中平台系統的組成
一個由平流層飛艇提供的平台系統的開發設計包含了飛艇的物理結構設計、推進動力系統設計、電源系統設計以及位置與姿態控制、溫度控制、浮力控制等各種控制系統設計。其中，飛艇的物理結構包括主結構、外表皮結構和內部氣囊結構等部分。下面，我們分別敘述如下。
平台的物理結構
長期定位於地球表面上空20km處的平流層飛艇平台，構造的強度要求能承受冬季時大約35m/s～60m/s的最大風速。而且，平流層高空的低溫以及強烈的紫外線輻射也對平流層飛艇蒙皮材料的耐久性提出了很高的要求。此外，在綜合考慮平流層飛艇發射升空以及回收降落時的操縱控制以及承受地面附近突變氣流的能力等因素的基礎上，人們提出了平流層飛艇的構造設計思想。
到目前為止，世界上所建造的低空飛行飛艇的結構可以分為硬式結構與軟式結構兩大類。前者採用了大量的骨架型材，在第一次世界大戰期間建造的大型飛艇多採用了硬式結構的方式。而為了實現簡化結構和減輕重量的目的所提出的軟式結構則被廣泛地套用於中小型飛艇的建造。由於高強度輕型新材料研究開發的進展，人們又提出了一種半硬式的大型飛艇結構。
用於提供平流層平台的飛艇必須能夠承受從地面的到20km高空的0.0556個大氣壓的外部壓力變化，以及從地表面的溫度直到平流層高空－93℃的環境溫度變化，這都是到目前為止的低空飛艇所沒有遇到過的困難條件。
由於尾翼與推進器的安裝部位以及燃料電池和有效載荷安裝的部位是採用了硬式結構，所以整個飛艇構造被稱為半硬式結構。氦氣囊內的氦氣所產生的浮力通過繩索傳遞給飛艇下部由輕型複合材構成的骨架，與艇體內的燃料電池以及有效載荷的重量相平衡。採用多個氦氣囊的方式，也可以防止萬一個彆氣囊發生氦氣泄漏時整個飛艇急速下墜的危險，提高平台系統的冗餘性和安全性。
當太陽照射在平流層飛艇上時會引起飛艇內部的溫度升高，並導致氣囊內部的氦氣壓力加大，從而增加氦氣囊薄膜表皮的負擔。這一現象稱為飛艇過熱問題。為解決這一問題，可以採用兩種方法。一是確保氦氣囊容積的冗餘，這樣當飛艇內部的溫度上升導致氣囊膨脹時，可以在一定程度上減緩內部氣壓的升高。這時要注意保持氣囊薄膜材料的密度與允許的容積之間的綜合平衡。因為薄膜材料的密度和薄膜的強度成正比，如果為了承受較大的氣壓而薄膜強度的設計餘量取得過大，薄膜材料的密度就會增加，飛艇的結構重量也會增加，有效載荷的重量不得不減少。如果限制薄膜材料的強度，過分增加氣囊的容積，飛艇的體積將會變得過大。解決飛艇過熱問題的另一個措施是適當地調整飛艇的高度以減少飛艇的內外壓力差。當發現飛艇過熱引起氣壓上升時，就把飛艇的高度減少到空氣壓力比較大的高度，即使飛艇內部的壓力仍有增加，只要內外壓差控制在氣囊薄膜材料可以承受的範圍內，就不會發生問題。當由於陽光的照射引起的溫度升高達49℃時，飛艇內部的壓力大約上升130mmAq。這樣的壓力變化和20km的高度附近大約1.5km的高度變化所引起的大氣壓力變化相當。由於有效載荷所要求的平台高度保持精度為±1km，因此，要將過熱引起的壓力變化全部通過飛艇高度的變化加以吸收是比較困難的事情，所增加的部分壓力還是要通過增加氣囊薄膜材料的設計強度來解決。例如，當平流層飛艇從20km處降低到19km處時，由於外部大氣壓力的上升，飛艇過熱所產生的內外氣壓差仍有61mmAq，必須在設計氣囊薄膜材料的強度時加以充分考慮。此外，採用這種方式時，為了迅速地實現飛艇的高度調整，飛艇必須具有強有力的吸排氣裝置以及高精度浮力控制系統。與第一種方法相比，通過調整飛艇的高度解決飛艇過熱問題可以使飛艇的體積做的比較小。
平台的浮力控制系統
平流層飛艇平台的整個飛行控制系統中最重要的是浮力控制系統。飛艇浮力控制系統的功能大致可以分為內部壓力調整功能與飛艇質量調整功能兩大模組，硬體組成分別如下所示。
（1）內部壓力調整功能
飛艇外表蒙皮：保持與外部大氣壓的壓差。
吸排氣風扇：通過吸入與排出空氣的調整使得飛艇艇體內外的氣壓差保持在一個合適的水準，以幫助實現飛艇質量的調整以及氦氣囊的收縮與膨脹。
自然排氣口：利用艇體內外的氣壓差，使艇體內部的空氣自然排出，保持內外氣壓差不超過設計允許值。
（2）飛艇質量調整
前方/後方平衡艙室：通過調整前後平衡艙的壓縮空氣重量，控制艇體的俯仰傾斜。同時，也實現整個飛艇的重量調整。
吸排氣風扇：艇體內部質量的調整。
壓艙水囊：飛艇質量的調整。
各個部件的位置如圖1所示。
圖1 平流層飛艇浮力控制系統組成
當平流層飛艇定位於20km高空時，預期外界環境最低溫度為－53.1℃，為了保持飛艇穩定在這一高度，需要對允許飛艇內部氦氣的溫度變化範圍加以分析。因為，即便飛艇內部的溫度只有微小的波動，也會對飛艇的浮力產生相當大的影響。如我們前面介紹的那樣，通過控制飛艇內部空氣以及平衡艙內的空氣品質的方式，可以達到保持平流層飛艇高度的目的。在這個前提下，我們可以求出平流層飛艇能夠承受的最高溫度與最低溫度範圍。當我們把外部的空氣壓縮吸入到飛艇內部以及平衡艙內部，可以抵消由於溫度的上升所出現的多餘的浮力。當最大限度地發揮平衡艙的調節能力，並且內外的氣壓差達到氣囊表皮所能允許的最大限度時的溫度就稱為平流層平台設計允許的最高溫度。另一方面，通過排出平衡艙里的壓縮空氣的方式，可以減輕飛艇的重量，抵消由於溫度的下降所導致的浮力減少部分。當平衡艙的這種調節能力發揮到最大，並且仍能保持飛艇的現狀不變形時的溫度被稱為平流層飛艇設計的允許最低溫度。
在飛艇的發射升空階段，通過自然排氣口以及吸排氣風扇將飛艇體內的空氣不斷地排出，由於飛艇內部的空氣壓力減小，氦氣囊的體積漸漸膨脹，浮力加大，飛艇向上升高。當飛艇到達大約20km的預定高度時，通過平衡艙吸入壓縮空氣增加飛艇的重量，同時飛艇的吸排氣風扇吸入外部的空氣，使氦氣囊的容積保持在一個穩定的範圍，飛艇的浮力與飛艇重量相平衡，飛艇保持在預定高度。在飛艇的回收降落階段，通過吸排氣風扇吸入外部的空氣使飛艇內部的氣壓升高，氦氣囊受到擠壓，容積縮小，浮力減少，同時，也可以通過釋放一部分氦氣的方式，使浮力減小，在這兩個措施的共同作用下，飛艇將緩緩下降。
平台的電源系統
平流層飛艇平台系統的推進動力系統以及有效載荷部分總共需要200kW的電力供給，而且是在平流層平台滯空的3年期間，24小時不間斷的連續供給。為此，白天可以使用太陽能電池供電，夜晚可以使用蓄電池供電。因為要求蓄電池的重量要輕，可考慮使用燃料蓄電池。整個平流層平台的電源系統由太陽能電池、再生型燃料電池、緊急備用電源以及電力控制部分所組成。
平流層平台的電源系統分為推進器用電力、浮力控制用電力以及載荷用電力三大部分。白天的電力由太陽能電池提供，可以使用的太陽能電池有單晶矽太陽能電池與非晶矽太陽能電池，前者的效率比較高，後者的柔軟性好，容易安裝，而且重量比較輕。如果以12%的光電置換效率計算，所需要的太陽能電池面積達17000m以上。夜間的消耗電力由再生型燃料蓄電池提供，利用白天太陽能電池產生的多餘電力把燃料電池用的水電解後分解為氧氣和氫氣，然後經燃料電池產生電力，氧氣和氫氣重新合成為水，如此不斷循環使用。鋰離子蓄電池的能量比重大約為100～200Wh/kg，而燃料蓄電池的能量比重可以達到500 Wh/kg，更適合於要求儘可能減輕重量的平流層飛艇使用。另外，作為飛艇緊急降落以及萬一燃料電池發生故障時候的緊急備用電池，可以考慮採用鋰電池或鋰離子電池。
