浮升混合飛行器研究現狀及特點分析

現階段人類航空飛行器大致可以分為以固定翼飛機和直升機為代表的重于空氣的飛行器（Heavier-Than-Air，HTA）和以熱氣球和飛艇為代表的輕于空氣的飛行器（Lighter-Than-Air，LTA）。近年來，隨著國民經濟和國家軍事需求的增長，以及航空航天、材料科學和新型能源技術的發展，飛行器逐漸向種類多樣化、空天一體化轉變。對于HTA飛行器，先后出現了固定翼和直升機混合的傾轉旋翼機以及利用矢量推力完成垂直起降直接力控制的新型作戰飛機等；對于LTA飛行器，一方面利用新型能源實現臨近空間長時間駐留的高空飛艇成為國內外研究熱點，另一方面通過將HTA飛行器與LTA飛行器混合，設計而成的浮升混合飛行器（Hybrid-AirVehicles，HAV）也成為近年來研究的熱點，如圖1所示。

根據升力來源的不同可將浮升混合飛行器分為空氣動力型和旋翼型兩種。前者包括艇翼式（如圖2（a）所示美國俄亥俄飛艇公司的Dynalifter）、升力體式（如圖2（b）所示美國洛馬公司的P-791）等，是由靜浮力和氣動升力共同提供升力；后者包括多旋翼式（如圖2（c）所示美國天鉤國際公司提出，并由波音公司負責研發的JHL-40旋翼起重機）等，是由靜浮力和旋翼升力共同提供升力。

傳統靜浮力飛艇具有載重量大、運營成本低、滯空時間長等優點，但同時也具有飛行速度低、可控性差、保障系統復雜等先天不足。浮升混合飛行器在傳統靜浮力的基礎上增加了氣動升力，有效地提高飛艇整體的可操縱性，克服了飛艇上述的缺點，同時發揮其留空時間長而耗能少的優點。因此，其主要的設計應用方向包括高空偵察和載重運輸兩個方面。

國內外研究現狀

概述

隨著航空技術、材料技術的發展以及在20世紀60年代發生的世界性石油危機，人們又開始轉向消耗能源較少的飛艇，并利用新科技研制新型飛艇，充分考慮飛艇滯空時間長、耗油量較少等優點，用于海上巡邏、信息搜集等軍事目的以及廣告、旅游觀光等商業目的。隨著研究的深入，研究者逐漸開始深入研究飛艇的一些關鍵問題：如何在卸載后使飛艇增重以保持平衡？如何保證艇身的強度和剛度以及懸停時的控制？如何保證在各種氣候條件下起飛降落的安全等。為了解決這些問題，美國、德國、俄羅斯和日本等國先后提出了吸取HTA飛行器的特點，設計出HTA和LTA的混合式飛行器。浮升混合飛行器并不是傳統意義上的飛艇，它將傳統飛艇和固定翼飛機、直升機的優點組合起來，即將動力飛行器和靜力飛行器的優點組合在一起，以求發揮長時駐空、重型裝載以及有效可控等優勢。

國外相關型號發展

雖然混合式飛艇是指既有空氣動力又有靜浮力的復合升力的飛行器，但在某種程度上，混合式飛艇特指浮力率（即靜浮力與起飛總重之比）不大于0.8的飛艇。采用該種布局形式的飛艇可由升力氣體產生的凈浮力和由速度產生的動升力來共同平衡自身重量進行飛行，可以在較小體積的情況下增大裝載量。雖然美國軍方目前對混合飛行器的興趣主要集中在情報、監視與偵察（ISR）平臺上，但是根據相關技術論證，浮升混合飛行器在軍事方面還可以開發用于戰區內或者戰區間運輸裝備、補給或者人員。民用方面，浮升混合飛行器也將可能是大型貨物空運的首選設計。

英國Boyd Robert R對混合式布局飛行器的性能進行了研究，得出混合式飛艇每噸千米的運輸成本比一般飛行器少60%，并且不需要空中加油就能續航數天。美國諾格公司開展了LEMV計劃，在英國混合航空飛行器公司（Hybrid Air Vehicles，HAV）的HAV-3的基礎上對其概念進行驗證，可實現持久的監控、載重即裝即用的能力。由美國國防部預研局（DARPA）資助的“海象”混合超大型飛行器（HULA）項目旨在研制一艘飛行范圍約22000km（即12000nm）的飛艇，同時承載500～1000t的空運貨物，并且通過空氣動力、矢量推力以及浮升氣體提供的靜浮力組合控制來產生升力以平衡總重。2010年時，“海象”飛艇計劃被暫時擱置，但承擔“海象”飛艇合同的洛馬公司的混合飛艇計劃并未停止，他們已研發了P-791驗證飛艇，現已進行了多次飛行試驗。英國ATG公司提出了“天貓”（SkyCat）系列大載重飛艇計劃，但公司在2005年進入破產管理程序，只生產了一艘“天貓”飛艇，SkyCat集團成立并收購了ATG的業務，之后英國HAV公司又收購SkyCat集團的資產，繼續發展這一概念驗證機。

國內發展現狀

由于無論是高空偵察型還是載重運輸型浮升混合飛行器都具有重要的戰略意義和長遠的經濟效益，我國也正在積極開展這方面的研究工作。國內關于浮升混合飛行器的研究尚處在初步階段，多個高校和研究所進行了方案論證、關鍵技術攻關等基礎性研究。2015年7月2日，珠海企業中航通用飛機有限責任公司與法國飛鯨控股公司在法國圖盧茲簽署了戰略合作協議，擬共同投資成立合資公司，開展重載飛艇項目合作，計劃研制生產60噸級的重載飛艇；2015年9月21日，中國航天科工集團公司068基地遠望科技有限公司與中國科學院電子技術研究所合作，完成了首階段的航空物探飛行試驗。另外，北京航空航天大學、中國科學院浮空器系統研究發展中心等多個單位的研究者對浮升混合飛艇方案設計、結構力學性能、氣動性能等方面進行了理論研究。

浮升混合飛行器特點

構型特點

由于飛艇的主要受力為浮力和重力，且較低的飛行速度導致很小的氣動力，因此，氣動外形設計以艇身和尾翼的減阻為主。浮升混合飛行器的氣動設計開始是以傳統飛艇作為基點，原因在于傳統飛艇外形的升力效率較低，且在低速巡航和駐留時對側向風的敏感會造成其他潛在的危險。因而，出于功能、成本及應用領域的考慮，不少研究者不斷嘗試改進氣囊外形，使其產生更大的氣動升力，即出現了升力體式浮升混合飛行器。目前，還沒有相關規范來定義該類飛行器的氣動布局和設計。

旋翼型浮升混合飛行器氣動性能主要受到旋翼和艇體耦合作用的影響，而相比于空氣動力型，其飛行性能更接近直升機，隨著飛行高度的升高，其旋翼氣動效率下降很快，不適用于高空飛行，且載重能力取決于發動機和多旋翼輸出功率，相比于空氣動力型耗油率更高。

浮升氣體用于平衡靜載荷，而氣動升力則用于運載任意形式的載重，完全可以不用壓艙物。由于浮升混合飛行器速度可達200～300km/h，正好填補了傳統飛艇和亞聲速飛機之間的速度空白。速度相同情況下，浮升混合飛行器的燃油效率也明顯高于直升機。與傳統飛艇相比，浮升混合飛行器的優勢在于它在著陸和裝載階段更易于操作，就如同一個短距離起降航空器完成了一次有效的低空飛行裝載。

氣動性能特點

浮升混合飛行器氣動性能主要受雷諾數、氣流紊流度以及飛行器表面的粗糙度的影響。將浮升混合飛行器與其他傳統航空器的雷諾數進行對比，如圖3所示。由圖可知，浮升混合飛行器為小速度大體積大雷諾數的飛行器，當Re=106～107時，現有風洞試驗條件無法滿足精確測量分析的目的，通常采用分析計算法或CFD分析法進行研究。

洛馬公司前期做了一系列關于浮升混合飛行器的研究，并開展了一些風洞和試飛驗證。研究表明，對于浮升混合飛行器而言，可設計成常規飛艇外形通過幾個并排的子囊瓣組合而成，囊瓣是基于高升力系數的翼型外形設計的，這種多囊瓣布局具有更寬的橫截面，能夠產生的動升力約為傳統飛艇動升力的3倍。

通過CFD分析結果（如圖4所示）可得，相同的迎角情況下，浮升混合飛行器升力系數約為常規飛艇的3倍。但由于更小的長細比，即更寬的艇體導致阻力系數更大。此外，相同設計載荷下這類浮升混合行器相對于傳統構型飛艇能提供更大的氣動升力，并顯著減小飛行器表面積，減輕結構重量，提高有效載荷及運載能力。

附加質量效應

對于在流體介質中做加速或減速運動的物體需要克服周圍流體慣性的影響，即物體帶動周圍介質一起加速或減速運動，從而使流體介質受到一定的作用力，此力的作用效果像是將介質質量添加至運動物體表面，即附加質量，又稱表面質量或者虛擬質量。根據牛頓第三定律，流體介質也將對物體存在大小相等方向相反的反作用力，有對于附加慣性力的影響是否應該看做飛行器氣動力的一部分，或者等價于對物體質量和慣性的補充還有爭論。

隨著物體的密度增加，其慣性超過流體的密度，附加質量效應會變得不明顯。定義比重ε為運動物體排開介質的質量與物體質量之比，來描述這類物體運動時受到周圍流體介質慣性的影響程度。對于現代重型飛行器如商業飛機和軍用戰斗機而言，由于比重很小，附加質量效應對于飛行器運動影響很小。然而，對于諸如飛艇、熱氣球、浮升混合飛行器或者潛艇而言，這些效應的影響不能忽略。表1總結了幾種常見物體的比重，波音747比重約為0.01，遠小于浮空器的0.97，而在水中運動的氣泡約為800，受到附加質量影響極為明顯。

隨著20世紀飛艇技術的發展，運用流體力學理論，將飛艇周圍空氣慣性的影響解釋為等效空氣質量阻力，以妨礙飛艇加減速運動。根據流體動力學理論，Lamb創造性地提出了球狀體形狀的質量系數。1924年，Munk提出了一個類似的研究來計算增加的質量，后來被飛艇設計者用于考慮這個效應。因為早期飛艇多為橢球形狀，所以用于計算附加質量的經典公式在通常具有非常規外形的混合飛行器中具有關鍵的限制。隨著計算機的出現，面元法被應用于通過在這些復雜幾何形狀上的勢方程的解來計算任意形狀的附加質量系數。隨著計算機和CFD計算速度的大幅提高，獲得復雜形狀的附加質量的數值方法變得可行。

結束語

本文介紹了浮升混合飛行器相關構型分類及特點，由于浮升混合飛行器外形大都基于常規飛艇外形演變而來，其尺寸和應用領域類似，因此，基于對常規飛艇艇體氣動特點的分析，初步對浮升混合飛行器升阻特性進行了研究。由于浮升混合飛行器比重較大，附加質量效應對其運動有一定影響，需要進一步對非規則外形的浮升混合飛行器附加質量效應進行深入研究。

（孟軍輝 中國農業大學工學院，張瀾川 呂明云 北京航空航天大學航空科學與工程學院）