飛艇難登平流層

1937年，德國興登堡號飛艇墜毀的慘劇標志著飛艇黃金時代的終結。60年后，五角大樓試圖將低空飛艇提升到更高的平流層，并將幾艘這樣的飛艇組成一個強大且便宜的網絡。

無論是種類還是飛行高度，飛艇的發展遠遠不如飛機，但除了作為一個大廣告漂浮在空中吸引眼球之外，飛艇的任務也不少。例如在2004年雅典奧運會上，人們動用飛艇協助警方抓獲疑犯，配合交警疏導交通，替代裁判全程盯著馬拉松賽程。

早在20世紀70年代末，美國海軍就使用低空飛艇長時間在空中對掠海低空的飛行目標進行監視。但低空飛艇速度慢、受天氣影響大，很容易被人打下來，用著也不那么方便。因此，人們設想可否把飛艇升到數十千米高的平流層去。這種“平流層飛艇”（High Altitude Airship）便能看得更遠，只要幾艘，它們的視野便能覆蓋一整個國家。

漂浮在平流層的航母編隊

平流層處于地表以上12～55千米處，陽光強烈，空氣稀薄且風力穩定，對于這樣大氣球來說這是不錯的漂浮地帶，只要動力足夠，也許它能漂上兩三年而不落地。在平流層之外便可稱為太空了，也就是說，平流層飛艇在僅次于衛星的高度上連續工作，不妨礙飛機，更不用怕鳥兒的騷擾。

美軍前后投入了4000萬美元在平流層飛艇上。在“9#8226;11”之后，他們制定的“HAA”計劃正式啟動，它設想利用10艘長達250米的飛艇組成編隊，它們分別攜帶重達1.814噸的巨型望遠鏡、合成孔徑雷達這類的情報搜集系統，監視并攔截一切飛向美國本土的彈道導彈和其它空中威脅。這個計劃最早是由前國務卿黑格將軍提出，下野之后，他以噴氣動力學專家的身份全力投入美國SSI(Sky Staten Internationa1)公司，繼續推進平流層飛艇的事業。

平流層飛艇在軍事上的價值也許不僅止于被動防御。“海象”是另一艘五角大樓正在研制中的空中飛艇（見本刊2006年第12期）。這種與日本自衛隊合作研制的武器可能主要用來對付中國或伊朗的潛艇。

平流層飛艇的長時間懸空使得它具有可媲美衛星的能力，用幾艘平流層飛艇，我們可以組成一個通信平臺，以取代地面上復雜的發射塔，和更高處昂貴無比的人造衛星。對于那些邊遠得不可能單拉線纜的鄉村來說，平流層飛艇最有可能為他們提供便宜且高速的信息服務。日本航空航天技術研究所正在試圖用15艘平流層飛艇組成的通訊網來覆蓋整個日本。

保守估計，每一個飛艇基站作用的距離是地面基站的20倍。當發生類似2008年的雪災和汶川大地震時，地面基站極可能被悉數破壞，但飛艇的工作不會受到任何影響。

這樣一個平流層通信平臺，每隔幾年返回地面補充一下氦氣，修理和補充通信設備，即可工作長達10年。它的放飛、回收和日常監測也很簡單，就像一般民航系統的作業一樣，不需要龐大復雜而燒錢的發射基地。總體算下來，平流層通信平臺的成本很低，只有地球靜止軌道通信衛星的1/10，是光纜通信的1/5，用戶資費相當于普通電話資費價格。對于發展中國家來說，平流層通信也是讓它們迅速趕上發達國家的機會。

我國于1998年即投入了平流層平臺研發，并在棗莊建立了平流層飛艇生產基地。目前，由航天068基地近空間飛行器研發中心研制的JK-20遙控飛艇，已經在湖南桃源機場試飛成功。中科院光電研究院氣球中心氣球研究專家姜魯華研究員認為，中國僅需要4艘超大的平流層飛艇，就能建立全方位的通信平臺。

難造的氣球皮

能創造廉價通信平臺的平流層飛艇，所需要的技術支持卻不廉價。飛艇是利用輕于空氣的氣體為介質的浮空器，自興登堡飛艇失事后，大家多用氦氣替代易燃燒也易泄露的氫氣來提供升力。但平流層的空氣密度是如此的小，氣壓不到地面的1/10，空氣密度僅為地面的l/l4。如要飛升至20千米高空，即使攜帶很少的有效載荷，也需要把飛艇造得跟一個棒球場一般大小才能獲得足夠的升力。

而且，若需要連續數年停留，對飛艇的材料要求甚高。以日本直徑60米，重30噸的飛艇為例，其外膜不僅要強度超高，還要盡量輕，以避免增加動力負擔。外膜材料還必須具有抗輻射、耐候性和阻氦氣滲漏性，以對付平流層晝夜溫差極大、輻射高、臭氧高的氣候特征。

日本人曾經用一艘造價達6億日元的平流層飛艇測試了材料的性能。它的最大直徑只有12米，長為47米，其外膜材料采用了極輕的強化纖維制成，足以承受從地面到高空的氣壓差，而本身重量卻只有500千克，浮力高達以往飛艇的20倍。2002年，當它在日本升空，立刻扶搖直上16.4千米高空。隨后，地面上的科學家通過遙控讓艇體破裂，以測試氦氣逸流出薄膜的數據。最后，人們在日立港以東40公里的水面終于再次找到它。這是飛艇史上第一次到達如此高度的平流層的試飛，而且它還為飛艇外膜材料的制作采集了數據。

但是，僅僅飛上平流層是遠遠不夠的。當防空導彈刺穿云際，這些足有兩個足球場大小的飛艇不啻是它們最好的練習目標。擁有鋼筋鐵骨的巨型航空母艦在遭遇一定程度打擊之后仍能漂浮于海面，而這些平流層飛艇一旦被雷達發現，則只有淪為“氣球射擊”的活靶子。

那就盡量躲起來吧，材料專家嘗試把隱形飛機的技術移植到平流層飛艇上。來無影去無蹤的B-2轟炸機和F117戰斗機的機身材料能夠依靠吸收和反射雷達波，同時它們能夠降低對太陽光的反射和自身的紅外發射，或改變其輻射方向，而使自己在雷達屏幕上小到足以迷惑對方。美軍高空飛艇（HAA）也同樣考慮采用了這種柔韌的纖維復合材料來實現隱形。另一方面，為了對付間諜衛星這樣的“太空巨眼”，材料專家也設想使用讓光線不會反射而是沿著其表面繼續向前的“超常介質”（見本刊2009年第1期《納米織造隱身衣》）來實現“視覺隱形”。

來自空氣與陽光的動能

無論是用于軍事武器還是用作通信設施，平流層飛艇顯然都不同于孩子們眼中漸行漸遠的五彩氣球。這個也許有兩個足球場大小的大家伙，需要依靠一套復雜的動力系統和能源系統才能在空中行動。

主要依靠浮升氣體產生的浮升力上空的平流層飛艇，同時也需要發動機產生的動升力以供其達到一定的運動速度。而且，當浮升力隨著高度的增大而減小時，再大個兒的平流層飛艇也必須借助動升力的推進。

因此，科學家們考慮從隨處可得的空氣中直接獲得動力，一種被稱為大氣離子靜態推進的技術應運而生。這種技術依靠等離子束和等離子波對飛行器進行驅動，它最初被用于衛星航道的矯正。當德國Festo公司設計出一款名為b-IONIC Airfish的梭形飛行器時，人們才真正得以將空氣中的能力轉化為推動飛艇直上平流層的推力。這種梭形飛行器工作時，高達3萬伏的直流電將帶有負電的電子從空氣中抽出，并且分離出正負離子，由此使正離子獲得加速度，產生時速達到35千米的離子束，帶動空氣產生推力。

而產生這3萬伏直流電的能量，則也許主要來自陽光。其實，平流層的大氣密度太低，很難支持燃料的燃燒，一般的燃油式發動機無法工作。但空氣稀薄則讓陽光不受阻礙，這里的太陽輻射大約為1280瓦/平米，接近在太空中的日光利用率。我們有可能最大限度地利用太陽能來支持平流層飛艇的活動。

15年前，德國斯圖加特大學航空工程計算結構力學研究所研發的LOTTE-2飛艇，參加了澳大利亞有名的“世界太陽能挑戰賽”，它靠太陽能在4天內飛行了330千米，證明了這條思路是可行的。但主要的問題是晚上怎么辦，總不可能靠月光吧，目前的考慮是把太陽能電池與再生燃料電池以及鋰離子電池組合成一套混合能源系統。

平流層飛艇的設想固然很妙，但外殼材料，以及能源供給的問題尚未徹底解決，目前還沒有飛艇真正地在平流層穩定地工作過。這讓不少投資者也失去了耐心，撤出這個項目。但專家們還是估計在2020年，平流層飛艇將真正地升上去，成為天文愛好者們能觀測到的有趣目標。