臨近空間變體飛艇技術研究

肖益軍

（中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

1 引言

臨近空間飛艇具備區域持久駐空能力，升空高度高，覆蓋半徑大，探測范圍廣，可作為各種通訊、監測、雷達設備的搭載平臺，在某一固定空間長期駐留執行對地觀測、通訊中繼、電子對抗等任務，在軍事和民用領域具有非常重要的作用。近年來，隨著材料技術，能源技術，通信技術，計算機技術等的發展，包括對流層飛艇、系留氣球等浮空器技術得以迅猛發展。但現代意義的臨近空間飛艇仍處于關鍵技術探索、攻關階段，到目前為止，世界范圍內還沒有研制出可長期駐空、實用化的臨近空間飛艇。

2 國外臨近空間飛艇發展現狀

由于臨近空間的水汽、懸浮固態顆粒和雜質極少，氣象條件穩定，飛艇飛行高度高、視距范圍大等特點，美國、日本、歐洲等工業發達國家將發展臨近空間飛艇作為搶占臨近空間制高點的戰略目標，予以高度重視。美國是臨近空間飛艇研制最早、經費投入和項目最多的國家，最具代表性的有高空飛艇（HAA）、高 空 哨 兵（HiSentinel）、傳 感 器 飛 艇（ISIS）、平流層衛星（Stratellite）和“攀登者（Ascen－der），涵蓋軟式、硬式、異形（V型）飛艇等多種形式。HAA又被稱作平流層平臺系統，由美國導彈防御局和洛克希德·馬丁公司聯合開發研制，其主要目標是開發搭載大型多任務負載長時間（數月）在高空駐留的無人LTA平臺，將用作導彈監視，如圖1所示。

圖1 美國洛·馬公司高空飛艇（HAA）概念設計

高空哨兵HiSentinel是CHHAPP項目計劃的一部分，目的是開發低成本的通信、情報偵察和監視的小載重、無人長航時的臨近空間飛艇。飛艇采用類似高空氣球的放飛方法，放飛時艇體充部分氦氣，處于零壓狀態，隨著高度上升逐步膨脹成形，任務設備與艇體分離后依靠降落傘回收。高空哨兵HiSentinel曾攜帶了大約27千克的設備，在22千米高度飛行了5個小時（見圖2）。

圖2 HiSentinel臨近空間飛艇

ISIS項目的目標是研制一種基于臨近空間飛艇的自主無人探測器。該無人探測器集成于飛艇的結構中，幾乎與飛艇一樣大，可使用數年時間，用于監視和跟蹤空中和地面目標，具有跟蹤遠距離的巡航導彈和地面敵方作戰人員的能力（見圖3）。

圖3 ISIS項目示意圖

平流層衛星（Stratellite）是升浮一體硬式飛艇，主要用于通訊和實時監視等領域，艇體材料采用雙層凱夫拉爾纖維，外層覆蓋柔性薄膜太陽能電池，采用電機動力推進系統，其最大續航時間可達18個月，可以回收維護，維護后的飛艇可以繼續使用。2005年11月，第一艘Stratellite原型機完成試飛（見圖4）。

圖4 Stratellite平流層衛星原型機

臨近空間機動飛艇“攀登者”集衛星和偵察機功能于一身，由地面遙控設備操縱，能完成高空偵察、勘測任務，也可用作戰場高空通訊中繼站。“攀登者Ascender”技術驗證艇2004年進行了部分低空試驗，但2005年兩次試驗分別因地面大風或上升過程中艇體超過壓力極限破裂而損毀（見圖5）。

圖5 攀登者Ascende臨近空間飛艇

歐洲航天局在2000年3月聯合德國宇航公司、英國蘭德斯特朗氣球公司和荷蘭代爾夫理工大學，完成了對高空飛艇方案的初步評估，并投資研制“哈爾”半硬式高空飛艇，飛行高度20000米，搭載1000千克任務載荷，可連續留空5年，主要用于通信、對地球觀察、大氣科學研究和天文學研究等（見圖6）。

圖6 歐洲局HALE飛艇平臺

日本從上世紀80年代就開始了平流層飛艇的可行性研究。1998年成立了平流層飛艇通信平臺開發協會，通過了平流層飛艇通信平臺的國家立項，計劃用15個平流層定點飛艇通信平臺覆蓋日本國土。2003年8月，日本航空航天技術研究所和海洋科學技術中心在茨城縣發射了一艘平流層無動力試驗艇，該艇飛行高度達16.4千米。2004年進行了8次滯空高度為4000米的低空演示飛艇的定點滯空飛行試驗，對飛艇的制造、浮力控制、熱控制、飛行控制等進行了驗證，為實現建設通信和地球觀測平流層平臺構想奠定了一定基礎。

3 變體飛艇的獨特優勢

臨近空間飛艇的使用環境與常規對流層飛艇不同，其升空高度高，空氣密度變化大，環境溫度低，太陽輻射強，駐空持續時間長，晝夜變化超熱／超冷嚴重，造成飛艇固定區間保持困難，對能源、動力、控制要求高（見圖7）。

圖7 臨近空間區域劃分

目前世界各國的臨近空間飛艇大多采用常規飛艇布局，變體飛艇仍處于探索階段。常規飛艇囊體由氦氣囊和副氣囊組成，主囊體體積保持不變，通過調節艇載配重和副氣囊空氣量控制凈浮力和艇體壓差，實現飛艇姿態調整、升降和駐空，升空高度越高，飛艇體積越大。因此，固定的囊體體積將限制飛艇升限。同時，壓力調節系統效率低，能源消耗大，造成飛艇對囊體材料強度要求高，艇體結構、能源和壓力調節系統等占系統重量比重大。

變體飛艇根據艇體內外壓差，控制囊體自適應變化，獲得高體積變化率，相對常規布局飛艇具有以下一系列獨特優勢。

3.1 減輕飛艇重量

重量是制約臨近空間飛艇發展的重要因素，30千米臨近空間的空氣密度只有海平面的1.5%。自身重量越大，要求飛艇體積越大。變體飛艇采用微壓差控制，艇體材料強度要求低，并取消副氣囊，簡化壓力調節系統，降低了能源需求，可顯著減輕臨近空間飛艇平臺重量，為有效任務載荷提供了更多應用空間。

3.2 提高飛艇升限

在起飛重量一定的條件下，變體飛艇升限只與空氣密度和艇體體積變化率相關，其升限不再受艇體材料強度等相關技術的制約。

3.3 環境適應性高，持續駐空能力強

臨近空間環境溫度低，太陽輻射強，晝夜變化超熱／超冷嚴重，飛艇凈浮力變化范圍大，造成臨近空間飛艇駐空高度不穩定。常規布局飛艇通過釋放氦氣和艇載配重調整高度，但氦氣和配重是有限的，因此，在臨近空間環境，常規布局飛艇持續駐空能力是有限的。變體飛艇可根據起飛重量和最低巡航高度確定初始充氦量、艇體容積和體積變化率，其持續駐空時間的長短將取決于氦氣泄露量。因艇體內外壓差小，氦氣泄露量僅與艇體材料本身透氦率和加工工藝相關，從而具有很強的持久駐空能力。

4 飛艇變體模式

飛艇有多種變體形式，但為適應臨近空間環境變化，變體飛艇應以獲得高體積變化率為目標，其高效變體模式可分為縱向變體和徑向變體。

4.1 縱向變體

縱向變體是指飛艇橫向截面基本不變或變化很小，通過變體控制機構使飛艇縱向尺寸發生變化，飛艇的長細比改變（見圖8）。

圖8 飛艇的縱向變體

4.2 徑向變體

徑向變體是指飛艇縱向尺寸基本不變或變化很小，通過變體控制機構使飛艇徑向截面尺寸發生變化（見圖9）。

圖9 飛艇的徑向變體

縱向和徑向變體都是通過變體控制機構使飛艇外形尺寸發生變化，以獲得高體積變化率。由于臨近空間跨度高，大氣壓力和空氣密度變化大。隨著高度增加，大氣壓力和空氣密度急劇下降，在有效載荷重量一定的情況下，飛艇升空高度越高，要求容積和體積變化率越大。

5 變體飛艇的主要關鍵技術

臨近空間變體飛艇的關鍵技術是如何實現穩定、可靠的自主變體和飛行操穩控制。

5.1 飛艇變體控制技術

臨近空間變體飛艇采用非常規布局型式，飛艇的主囊體由變體機構和用于提供浮力的軟式氣囊組成，通過變體機構控制囊體伸展或折疊。軟式氣囊為單氣室結構，不設副氣囊，內部填充氦氣，根據內外壓差調節囊體體積和保持飛艇外形（見圖10）。

圖10 變體飛艇工作原理

輕量化、高可靠、高體積變化率的變體機構與飛艇軟式氣囊的結構匹配性、高精度分布式微壓差傳感器系統和變體控制策略是飛艇變體控制技術的核心，有待進一步深入研究和驗證。

5.2 飛艇飛行控制技術

臨近空間飛艇技術研究的最終目標是實現長期駐空并返場，可重復利用的飛艇平臺。

變體飛艇在輕重量設計、持久駐空和高度調整、保持等方面具有獨特的應用優勢，但在上升、駐空和低空返場控制技術仍有待研究。

以成功進入平流層的HiSentinel高空哨兵為例，采用非保形上升，到達預定高度后氦氣膨脹成型，進入駐空飛行階段，下降至一定高度后囊體爆破，艇載任務設備降落傘回收。其載重小，連續駐空時間短，無法定點返場，不可重復使用（見圖11）。

變體飛艇在低空采用流線型氣動外形，降低低空阻力。高空通過變體保持流線型柱狀體外形。通過不同階段氣動外形設計、高低空動力推進系統布局和舵面操控等飛行控制技術，保證飛艇在高低空具有良好的飛行控制性能（見圖12）。

6 結語

圖11 高空哨兵飛行控制模式

變體飛艇結合了傳統自由氣球和飛艇的特點，是一種新型的，有待繼續探索的浮空器，其關鍵技術是變體和飛行控制技術。筆者針對臨近空間飛艇高效變體模式和關鍵技術進行了初步分析，為臨近空間飛艇安全上升、穩定駐空和可靠返場提出相應的解決途徑，可為臨近空間飛艇后續研究提供參考。

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