大型載重飛艇的升力控制方法探索

張 偉

中航通飛研究院，廣東珠海 519040

0 引言

沒有任何標準對大型載重飛艇的載重量進行定義和說明，一般認為，有效載荷在50 噸以上的飛艇，為大型載重飛艇。當然，對于一些有效載荷沒有超過50t，但是如果能運載超大型不規則貨物，也可認為是大型載重飛艇。

目前世界范圍內都沒有大型載重飛艇成功的案例，原因有很多。有非技術方面的，比如NASA 總結出來的幾條：沒有大額資金的投入，飛艇工程技術人員的缺乏，無法彌合的飛艇技術限制和客戶需求之間的矛盾，無法實現的較短的研制周期，投資人和客戶對設計周期和研制費用缺乏耐心等；也有技術方面的，比如地面上的操控能力，裝載和卸載，系留，操縱性和穩定性，升力的控制等。其中，飛艇升力和重力的平衡是需要重點解決的難題之一，因為飛艇的所受到的浮力在其巡航飛行過程中可以近似認為是不變的，但是它所受到的重力卻由于燃油的消耗和有效載荷（人員、貨物等）的變化而變化，因此，必須采用某種方法或多種方法的組合來實現飛艇的平衡，才能實現飛艇的爬升、巡航和下降在可控狀態下進行。

本文將通過對飛艇的升力構成進行分析和討論，就歷史上及目前常用的實現平衡的手段進行了總結和歸納，從而找出對升力進行控制的方法。

1 飛艇的類型

飛艇根據升力產生的方式，操控的方式，可分為常規飛艇和混合式飛艇兩大類。通俗的說，常規飛艇的升力主要來自于飛艇中的氣體產生的浮力（又稱為靜升力），最多8%由矢量推力提供。而混合式飛艇則結合了浮力和空氣動力。其中的空氣動力可以來自于固定的機翼，或者將飛艇本身設計成升力體，亦或者依靠矢量推力。但是，不論是常規飛艇還是混合式飛艇，都可以分為硬式飛艇、半硬式飛艇和軟式飛艇三類。前兩類也成為壓力飛艇，因為飛艇的外形主要是依靠內部氣體的壓力來維持的。硬式飛艇顧名思義，其中有內部的機身結構來維形，并承受氣體壓力和外部載荷。

一般認為，非硬式飛艇的有效載荷應不大于30 噸，因為超過這個數量級，作用在飛艇縱向上的尖峰載荷對飛艇的粘合力是很大的考驗。這一點，從歷史上的飛艇中也可見一斑。歷史上最大的軟式飛艇莫過于ZPG-3W，它在冷戰期間被用作預警機，它的最大有效載荷是5153kg。而著名的興登堡號飛艇，它的有效載荷是9560kg，這主要得益于它使用氫氣提供浮力，如果使用目前比較常用的氦氣來產生浮力，則有效載荷為-15841kg。當然，也有上述說法例外，例如根據簡氏的信息，HAV 366 和HAV 606 的最大有效載荷分別可以達到50 噸和200噸，但是它們都是混合式軟式飛艇。

但是，對于本文所述的大型載重飛艇而言，采用混合式硬式飛艇。

2 飛艇的升力構成

2.1 浮力

浮力的產生主要是依靠飛艇內部所充氣體與外界空氣的密度（1.292kg/m3，為方便起見，本文提到密度時，均取用常用數據，暫不考慮高度、溫度和大氣壓力對密度的影響）差而產生的。目前，飛艇使用的升力氣體主要是氦氣。但是，這并不意味著氦氣就是唯一可以充入飛艇內部產生浮力的氣體。下面分別對其它各種氣體進行討論，說明利弊。

氫氣：

氫氣（密度0.090kg/m3）作為目前已知的密度最小的氣體，既廉價又容易制備，理應成為飛艇最理想的浮力氣體。但是由于其極易燃燒，FAA 禁止其作為飛艇的浮力氣體，再加上興登堡號的災難，在人們心中留下的陰影難以抹去，氫氣才逐漸被氦氣替代。然而，由于近年來氦氣價格的不斷攀升，氫氣作為一種浮力氣體再次被提出，為了避免其可燃性對飛艇造成的災難，將其封裝在氦氣內是個不錯的方法。

甲烷：

甲烷（密度0.656kg/m3）是天然氣的主要成分，也是易燃氣體。甲烷作為浮力氣體最大的優點是其既可以作為浮力氣體，有可以為動力裝置提供燃料。在它作為燃料燃燒的過程中，飛艇減小的浮力等于減小的重量，因此在巡航狀態不需要額外的方式來平衡。

氨氣：

氨氣（密度0.73kg/m3）與氦氣相比，沸點較高（-33.34℃），可以很容易被液化（液態密度681.9 kg/m3），從而變為壓艙物。而且，氨氣價格便宜。缺點是，氨氣作為有毒氣體，一旦泄漏，被吸入后危險極大。

其它的可作為浮力氣體如水蒸氣、氖氣、氮氣、熱空氣等都可以提供浮力，但是缺點眾多，不予考慮。對大型載重飛艇而言，氦氣仍然是理想的浮力氣體。

2.2 空氣動力產生的升力

空氣動力產生的升力一般是藉由升力體機身產生，雖然一些非常規的設計也可以在龍骨上加裝機翼產生升力。

2.3 推力矢量

推力矢量通常由螺旋槳或者涵道風扇提供，可以顯著提高飛艇的性能。在現代飛艇上，基本是一個標準配置。推力矢量既可以提供升力，也可以提供向前、向后以及向下的力，因此被用來操縱起飛、著陸，以及提高低速時的操穩特性。

因此，一般在大型載重飛艇的升力中，浮力（靜升力）占約60%，由空氣動力學產生的升力提供40%的升力，推力矢量提供25%的升力（當然，也可能是提供25%升力的壓艙力）。

3 飛艇的升力控制方式

由以上飛艇的升力構成分析可以得出，控制升力的方式包括如下幾種。

3.1 改變升力氣體的密度

可以通過對氣囊里的升力氣體（氦氣）加熱，從而減小氦氣密度，進而提高升力。反之亦然。

但是，似乎很難得到如此大量的熱源。例如，在1000米高度，如果要使氦氣的密度增大6 倍，則需要將其溫度從282K 降到47K，這顯然是不容易實現的。

另一種改變氣體密度的方法是對氦氣進行加壓/減壓，將在后面說明。

3.2 使用壓艙物

飛艇也可以用大重量的物體作為壓艙物，通過拋棄或者收集額外重量的方法來實現對升降的控制。通常用作壓艙物的有水、油或者沙。

在興登堡飛艇上，曾使用雨槽來收集雨水。二戰時，LZ-120 飛艇曾經降落在水面上，并汲水將其作為壓艙物，但結果并不令人滿意。也有些使用干燥劑從空氣中吸取水分增加重量，也以失敗告終。

比較有希望的一種技術是從發動機排出的尾氣中通過制冷的方法收集液態水，以補償燃油燃燒失去的重量。很多飛艇都使用過這種方法，包括ZR-1，ZRS-5，齊柏林II 等，國內也有類似的專利技術。主要的問題是，制冷設備的防腐蝕。

3.3 排出升力氣體

通過排出氦氣減小升力，這是早期飛艇常用的手段，但是隨著氦氣價格的不斷攀升，已經很少使用這樣的方法來控制飛艇了，除非是應急狀態。

3.4 矢量推力

矢量推力在飛艇上的使用已經很廣泛，可以支撐相當比例的飛艇重量，目前比較成功的齊柏林NT 飛艇就是一個典型的例子。通過矢量推力和燃油補償箱的共同使用，基本可以不使用壓艙物了。

3.5 壓縮升力氣體

對壓縮氦氣的方法控制升力，研究人員的看法是有分歧的。Mowforth 和Burgess 在他們的著作中均表示不可行，主要是因為儲存壓縮氦氣的壓力容器和壓縮機的重量增加無法承受。但是另一方面，又有很多公司聲稱他們將該技術應用到了他們的飛艇設計中，包括最新試飛成功的Aeroscraft 公司的飛艇驗證機。

正是因為有這樣的分歧，該技術才值得更深入的進行研究。

3.6 其它

其它的一些升力控制方法包括：通過改變升力機身的攻角改變升力；通過可逆化學反應改變氣囊的體積或重量；使用類似P-791 的強力吸附氣墊；將撲翼技術與飛艇相結合；通過混合式層流控制技術等。

4 結論

本文通過對大型載重飛艇類型和飛艇升力構成的分析，探討了幾種升力控制方法。以期為讀者在進行飛艇設計時，開拓升力控制的思路。

[1]Melton，J.E.&Hochstetler，R.D.Rediscovering the Potential of LTA.2012.

[2]Burgess，C.P.，Airship Design.New York.1927.

[3]Munk，J.，1986.The Development of the Large Non-rigid Airship.London，1986.

[4]Paxpartnership，Airship-What You Think You Know，2013.

[5]Peck，S.E.，Hydrogen vs Helium in Rigid Airship Operations.2013.

[6]HIS Inc.Jane’s All the World’s Aircraft，2013.