基本介紹
- 中文名：平流層飛艇
- 外文名：stratospheric airship
- 類型：浮空器
- 能源動力：太陽能
- 懸浮高度：平流層高空
工作原理,技術要求,氣動布局,單囊體布局,混合式布局,V形布局,組合式布局,推進系統,燃油機-螺旋槳,燃油機-發電機-電動機-螺旋槳,太陽能-電動機-螺旋槳,發展概況,套用場景,
工作原理
平流層飛艇是一種輕於空氣的浮空器，依靠空氣浮力駐空，由太陽能為其提供能源動力，並帶有推進系統，具有不依賴機場或跑道可實現垂直起降、能懸停於任意地理位置上空，運行高度超出空管範圍，不受對流層惡劣天氣影響，可全天侯全天時連續工作，特別適合我國國土與邊境地區的對地觀測套用。
技術要求
1、無故障連續工作時間不少於7天；
2、巡航時單台發動機額定輸出功率>40kw；
3、最大抗風30m/s；
4、高度偏差範圍為±1000m。
平流層飛艇共需4台發動機，3副拉力槳，1副推力槳，均為變距槳，其中左、右兩副拉力槳可產生推力矢量。每台發動機還需直接驅動1．2kw的交流發電機、0．6kw變距機構的調速器。每台發動機的輸出法蘭盤上有雙槽皮帶輪，一條用來傳動艇用發電機，另一條用來傳動鼓風機，發電機與鼓風機就近安裝在發動機的附近，兩邊實行對稱安裝。
氣動布局
目前世界上研製平流層飛艇多使用以下幾種布局形式：單囊體布局、混合式(浮升組合式)布局、V形布局及組合式布局，各種布局的基本特點以及其在國外的套用情況如下。
單囊體布局
單囊體布局是一種較傳統的飛艇布局形式，也是目前平流層飛艇方案設計中採用最多的布局形式——日本平流層飛艇、英國ATG公司平流層飛艇、美國洛克希德-馬丁公司平流層飛艇等方案均採用的是單囊體布局形式。
單囊體布局又可以細分為兩種：常規單囊體布局與尾部收縮單囊體布局。採用常規單囊體布局的平流層飛艇在形狀上與普通低空飛艇並沒有太大的區別——它們只是為了減阻方面的需求而使主氣囊最大截面比較靠後，如日本平流層飛艇最大截面位於主氣囊總長約40%的位置，而ATG公司的平流層飛艇方案最大截面更位於50%～60%之間。
尾部收縮單囊體布局是平流層飛艇進行層流囊體設計的結果，其縱向剖面外形類似於大厚度的層流翼型，即最大橫截面相對靠後，前部曲線平坦，以保證囊體表面儘可能長的層流區域；最大截面往後曲線收縮較劇烈，在尾部縮聚成接近柱形，通過尾部螺旋槳的抽吸作用保證尾部不發生大面積的氣流分離，降低飛艇阻力。美國洛克希德·馬丁公司平流層飛艇方案、歐洲航天局平流層飛艇方案等多個平流層飛艇方案均採用這種布局形式。
混合式布局
目前混合式布局(即浮升組合式布局)正逐漸被人們看重，它把純浮式飛艇和升力翼面結合起來，利用主氣囊升力面產生的動升力和氣囊內的氦氣產生的浮力共同作用平衡飛艇重量。研究中的未來運輸飛艇——英國ATG公司的“天貓”系列和美國“海象”巨型軍用飛艇均採用這種布局形式。在平流層飛艇中，美國sanswire Networks公司的stratell沁飛艇就是採用這種布局形式。
V形布局
V形布局也是一種非常規的平流層飛艇布局形式，目前採用V形布局的高空飛艇主要是美國JP宇航公司的“攀登者”飛艇。根據現有的資料來看，V形布局飛艇是將兩條長條形的囊體成一定角度在頭部連線而成，囊體內部採用輕質複合材料骨架結構加強；飛艇無尾翼；兩條囊體內側布置推進器作為飛艇的動力並提供矢量力矩。
組合式布局
組合式布局是採用模組化的設計將多個較小體積的飛艇按照一定的順序連線起來形成一個整體的布局形式。目前世界上採用組合式布局的高空飛艇方案總共有兩種：美國JP公司的“黑暗空間站”近太空飛艇系統和德國“Air wo瑚”組合式飛艇平台。
推進系統
一般飛艇的推進系統包括三個部分——能源、動力和推進器。能源可以來自航空燃油、燃料電池、太陽能等，動力可以採用燃油發動機或電動機，推進器可以是螺旋槳或渦輪風扇等。由於螺旋槳質量輕，而且在驅動低速飛行器時非常有效。目前，平流層飛艇概念設計方案多採用電動機一螺旋槳的組合推進方式。電動機的能源可能來自內燃機(如渦輪發電機等)、蓄電池(如燃料電池、鋰電池等)、太陽能、接收微’波/雷射脈衝的能量。
現階段，平流層飛艇演示驗證艇一般採用常規燃油機一螺旋槳推進系統或電動機一螺旋槳推進系統。
燃油機-螺旋槳
這種組合由航空發動機和螺旋槳構成，廣泛套用於客機(要求經濟性好)、運輸機(要求推力大，經濟性好)、飛艇等航空飛行器。經過一個世紀的發展，這種組合推進模式技術較為成熟。現有的較為先進的燃油發動機有：渦輪軸發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪風扇發動機等。
平流層飛艇直接使用燃油發動機作動力有以下缺點：
(1)平流層大氣密度小，一般的燃油式發動機無法正常工作；
(2)飛行耐久性受攜帶油量的影響，很難滿足長期駐空的要求；
(3)使用過程中油量不斷減少，需要攜帶壓艙物，增加了起飛重量，減少了有效載荷重量；
(4)還需單獨的電源系統為艇上其他設備，如舵機、電台以及有效載荷等提供電力。
燃油機-發電機-電動機-螺旋槳
這是一種處於燃油推進向電動推進過渡的混合動力推進系統。這種推進系統在使用時，由燃油發動機帶動發電機發電，然後通過電動機直接驅動螺旋槳進行推進。
為驗證電驅動系統，以及考慮為艇上其他用電設備提供能源，韓國、日本等國的平流層演示驗證艇均使用了這種推進模式。
(1)韓國KARI 50米級無人試驗飛艇
韓國KARI(Korea Aerospace Research Institute)現已完成了50米級的無人飛艇全系統的飛行測試驗證。該飛艇最大直徑為12．5m，囊體的總容積為4000m3。發動機、燃料、發電機以及負載設備等安裝在位於飛艇下部的外置吊艙內。由兩個電機分別驅動位於艇體兩側靠近重心位置的定螺距螺旋槳推進器，推進器可以土120°傾轉以提高飛艇的控制能力。
(2)日本平流層飛艇縮比演示艇
該演示艇總長度24．2m，直徑6．5m，體積501m3。第一階段試驗中使用了燃氣輪機發電的電機驅動位於吊艙兩側的推進器，每個發動機可以上下傾轉。電機由美國動力技術公司製造，螺旋槳推進器為一套用複合材料製造的三槳葉涵道螺槳。日本宇宙航空研究開發機構的下一個目標是增加綜合技術驗證試驗，改進定位保持精度和增加續航時間，計畫製造一個150m長的飛艇，採用三個發動機。
太陽能-電動機-螺旋槳
該系統是當前國內外平流層飛艇概念設計中主要採用的推進方式。系統由太陽能薄膜、可再生燃料電池、電動機、螺旋槳構成。白天太陽能薄膜電池產生電能驅動螺旋槳及其他負載設備，並將多餘的電能儲存在可再生燃料電池以供晚上使用。
發展概況
目前世界上很多國家均已著手研究平流層飛艇平台，進度較快的已經進人了 試驗試飛階段。已經開始研究的平流層飛艇平台有日本平流層飛艇、英國ATG公司平流層飛艇StratSat、美國NORAD方案、美國JP公司的“攀登者”飛艇、美國Sanswire Networks公司的Stratellite飛艇、美國洛克希德·馬丁公司平流層飛艇方案、美國Sky Station平流層飛艇方案、歐洲航天局平流層飛艇方案、韓國平流層飛艇方案等。其中日本平流層飛艇進度最快，已有資料表明，日本已經進入了平流層的底部，進行了十幾千米高空的平流層試驗飛艇的試飛。其他如美國的“攀登者”飛艇、Stratellite飛艇等據稱也開始進入了試驗、試飛階段。
套用場景
平流層飛艇可廣泛套用於國土資源觀測、海洋監測、環境保護、防災減災、精細農業、水利監測、大地測繪、城市規劃與管理等方面，對推動區域協調發展，統籌城鄉發展，推進社會主義新農村建設、加強能源資源節約和生態環境保護、增強可持續發展能力、最佳化國土開發格局等發揮重要作用，對促進國民經濟發展具有重要意義。
隨著現代航空航天技術的發展,以及新的軍事技術革命的進展,戰場態勢變得越來越複雜。目前各國已意識到,防空的瓶頸是儘早發現和跟蹤目標,浮空器就是一種用來探測、跟蹤軍事目標的好平台。平流層飛艇就是一種浮空器所謂浮空器是指一種輕於空氣的航空器,它的大部分升力來自於氣囊內輕於空氣的氣體(一般為氦氣)所產生的浮力。從大的方面講,浮空器分為兩類:一類是氣球,一類是飛艇。氣球沒有動力裝置,主要依靠風力進行水平飛行,或用纜繩系留在地面設施上,分別稱為空飄氣球和系留氣球;飛艇則是自帶動力裝置的浮空器,依靠發動機提供的推力進行水平飛行。如果關掉發動機,它就等同於一個空飄氣球。飛艇按其高度可分為對流層和平流層飛艇。對流層的飛行高度一般在8000米以下,可以是有人駕駛或遙控飛行;平流層飛艇一般在25000米左右的高空飛行或懸停,一般採用遙控或自主控制相結合的控制方式。目前,低空飛艇已經廣泛套用于海洋研究、搶險救災、城市交通管理等民用領域。相對於對流層飛艇,平流層飛艇既是科技水平很高的一代飛艇,也是當代軍事需求十分迫切的一代飛艇。
2015年我國自主研發的平流層飛艇“圓夢號”進行了首次試飛，為實現平流層飛艇的長時間飛行，來自北京航空航天大學100人的科研隊伍所研發的高強材料可抵抗平流層飛艇的高壓差，並將飛艇骨架、螺旋槳、支架設計至極限輕度。
在平流層飛艇的研發方面，我國有數家研究機構和企業參與國家研發計畫，具有一定的技術和工業基礎，為低空巨型飛艇技術的發展儲備了一定的人才和技術條件。目前，達天飛艇公司作為從事載人、無人、系留、載重飛艇一體化研究、生產和運營的綜合性企業，在每年投入數百萬元研發費用的基礎上，集中相關專業人才和技術，填補了國防科技方面的空白。
達天飛艇對平流層開發工作的基礎是基於實踐國家中長期科技發展規劃重大專項的論證技術思路、對飛艇多年的認識和理解，以及長時間參與低空飛艇設計製造、飛行工作的經驗積累。設計中儘可能展示平流層飛艇的關鍵技術和指標，利用成熟的達天飛艇多年積累的低空飛艇設計和製造技術，以達到對平流層飛艇系統關鍵技術探索的目的。新型飛艇的好處顯而易見，它可以重複使用，人們通過遙控能回收飛艇，從而再對這些飛艇進行檢修，然後放飛它再讓它去執行新的任務。而飛艇在天上停留的時間絕不亞於人造衛星。這些飛艇可以作為地面通信的中繼站，並可能在未來服務於地面的移動通信業務。它們還能遠遠地漂浮在一些人口稠密地區的上空，作為傳送廣播的有效空間工具。除此之外，平流層飛艇能擔負地球勘探、勘測以及天文研究等重任，還可以監測天氣及環境的變化，甚至用於報告交通路況。
