快速部署浮空器總體技術研究

羅昔柳，劉俊濤，張海艷，梁凱強，張逢哲

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

平流層浮空器運行在20km～35km的空域，通過攜帶不同的有效載荷，完成數據通信、地面觀測等任務，具有滯空時間長、覆蓋面積廣、觀測分辨率高等優點。因此，世界各國紛紛投入大量的人力物力，開展平流層浮空器的可行性研究論證及試驗[1-2]。

傳統地面起飛浮空器可通過陸地或船的地面支持系統完成準備工作，利用浮空原理實現升空，并通過控制系統實現控制滯留于某一預定高度。但由于高空空氣密度低，需要增大體積以增大浮力，大體積帶來更大升空阻力，導致克服阻力需更大能量，從而需要進一步增大體積形成惡性循環。為解決持久滯留而帶來的質量與浮力、阻力與能源兩個嚴重耦合的基本矛盾，提出了一類以快速運載平臺為載體實現升空的浮空器，被稱為快速部署浮空器。快速部署浮空器由兩部分組成：一是可以運載發射浮空器的平臺，一是能夠壓縮存放入運載器中的軟性浮力體(稱為有效載荷)。快速部署浮空器的有效載荷以折疊方式安裝在運載器中，運載器將其送至高空，有效載荷與運載器分離后拋罩展開，依靠浮空原理及控制系統實現在預定區域的飛行或滯留。

1 快速部署浮空器優勢

快速部署浮空器部署高度在平流層，氣流相對穩定，即使浮空器不采用定點控制裝置，也可以實現在一定區域、一定時間滯空穩定工作，因此在對定點定位功能要求不高時，可以不用攜帶動力和控制裝置[3]。

由于浮空器采用柔性浮力體時為零壓氣球，即使遭到部分損壞后，漏氣較慢，可以繼續工作較長時間，有一定的生存能力[4]。因此浮空器受惡劣天氣影響較小，適合在應對惡劣氣候災難時，實現災區與外界的應急通信，以及對災區的應急觀測。

此外，浮空器采用柔性浮力體加掛任務載荷，維護較為簡單。通過加掛不同任務載荷搭載不同運載器即可實現不同功能，能形成“一型多用”的系列化平臺。

利用浮空器本身所具備的優點，通過小型化，它可以隨時隨地通過運載器快速發射完成部署，而不是讓浮空器自己飛到指定高度和熱點區域，大大提高了浮空器的時效性。通過平臺在高空進行投放的浮空器將在其自身優點的基礎上，能夠有效解決地面直接起飛的難題，解決了大型浮空器難以通過低空高速氣流的難題，也不用設計額外的系統來應對低空復雜的環境，可以在突發災難區域快速部署通信、觀測平臺，實現全方位、多層次災區測控能力。

2 總體設計

2.1 總體概述

快速部署浮空器部署過程如圖1所示，運載器飛抵至指定空域后，運載器頭部進行分離、再入。在再入過程中，減速傘系統彈出，對運載器頭部進行減速，同時拉直浮力體使充氣系統對浮力體系統進行充氣。充氣結束后，浮空器裝置分別與減速傘、充氣裝置分離，浮空器上浮到指定高度，任務載荷系統開機，執行相應的任務。

圖1 浮空器分離過程示意圖Fig.1 Schematic figure of aerostat separation process

快速部署浮空器設計過程中需要統籌考慮浮力體設計、分離展開設計、任務載荷設計、結構安裝設計、充氣過程設計等各個相互關聯耦合部分的設計，設計難度較大，復雜程度較高。

基于某型運載平臺，進行了快速部署浮空器總體方案的論證分析與設計，并開展了地面等效試驗與仿真計算，對設計方案進行了初步驗證。本文將對快速部署浮空器總體方案中分析設計與試驗、仿真工作進行介紹。

2.2 系統組成

快速部署浮空器主要由運載器、減速傘系統、浮力體系統、充氣系統和任務載荷系統組成。減速傘系統、浮力體系統、充氣系統、任務載荷系統安裝在運載器頭部，布局如圖2所示。

圖2 浮空器在運載器頭部布局Fig.2 Aerostat layout inside the vehicle

減速傘系統安裝在運載器頭部降落傘艙，由減速傘、主傘組成，減速傘在分離時從運載器頭部彈出，進行減速。減到一定程度后，拉出傘艙中的主傘，進行二級減速。主傘拉出氣球艙中的氣球浮力體，使氣球浮力體在降落過程中處于拉直狀態，以便充氣氣瓶對其進行充氣。

浮力體系統安裝在氣球艙，由氣球浮空器、連接吊帶等組成。在分離展開過程中，蒙皮及吊帶承受由減速傘從運載器頭部拉出的拉力，并且在降落過程中保持拉直狀態。

充氣系統安裝在氣瓶艙，由氣瓶(含支架、氦氣氣體)、充氣管路、閥門組成，在浮力體降落過程中為浮力體充滿氦氣。

任務載荷依據不同任務需求進行配置，以應急通信為例，由天線、電臺、控制模塊、定位模塊、供電模塊組成。

2.3 浮力體設計

為滿足加掛任務載荷質量不小于10kg，浮空高度不低于20km，浮空時間不小于2h的要求，需要對浮力體形式、浮力體充氣氣體、浮力體表面材料、浮力體載重能力等進行分析研究。

2.3.1 浮力體形式

平流層浮空器一般有飛艇和氣球兩種形式。飛艇式浮空器一般帶有龍骨，體積較大，不易實現壓縮折疊，且對運載器要求較高。此外，在浮空高度、任務載荷質量、浮力氣體相同的情況下，飛艇要比氣球的質量和體積大20%左右。雖然飛艇相比氣球有更好的氣動外形，但選用氣球形式的浮空器進行快速部署更為可行。

2.3.2 浮力體充氣氣體

對于平流層浮空器，浮升氣體可選擇氫氣和氦氣。氫氣是自然界密度最低的氣體，可燃，在氧氣濃度達到9%～64%時，會發生爆炸。若采用氫氣，高壓氫氣的安全性是必須重點考慮的問題。氦氣是惰性氣體，不可燃，密度僅比氫氣略高。較氫氣而言，采用氦氣未使浮空器的質量顯著增大，這也是一般的大型高空氣球、飛艇普遍采用氦氣的原因。考慮到這些因素，特別是快速部署浮空器可能需要采用持續充氣的方式，選擇氦氣是比較穩妥的方案。

2.3.3 浮力體表面材料

平流層晝夜溫差較大，大氣密度較低，臭氧密度高，存在宇宙射線等，對浮空器表面材料的抗腐蝕能力提出了更高的要求，同時，浮空器表面材料還必須承受相應的表面應力。浮空器需要在平流層一定區域內實現較長時間的滯空，這就要求表面材料在工作時間內性能不會有明顯下降，保證較低的氦氣滲透率。總之，平流層的環境條件對浮空器表面材料提出了較高的力學性能和環境適應性要求。

目前，探空氣球常用的材料為橡膠類材料，其特點是拉伸斷裂伸長率較大，但溫度適應性差，一般升高到一定高度后自行破裂；一般飛艇、氣球常用的材料是Vectran和高強錦絲綢，其特點是強度大，溫度適應性好；目前長時間滯空的大型氦氣高空氣球、飛艇使用的材料多為聚酯型材料，其特點是溫度適應性好，阻氦效果好，但其拉伸、撕裂負荷較小，一般要采用靜壓充氣。常見的材料參數如表1所示[5]。

表1 浮空器表面材料參數表

快速部署浮空器表面材料在滿足普通地面起飛大型高空氣球、飛艇的表面材料要求的基礎上，還需要具備一定的力學特性，從而確保浮空器在拉直展開和充氣過程中的安全性。通過表1可以看出，氣球表面材料應選用面密度相對較小，且具備一定強度的高強錦絲綢材料。通過調研與設計，氣球球體材料選用40g/m2涂覆錦絲綢。

2.3.4 浮力體載重能力

快速部署浮空器的載重能力是由浮空器的體積、表面材料密度、充氣氣體、充氣量、浮空高度共同決定的。選用40g/m2錦絲綢作為浮空器表面材料，按照球型浮空器形式，在充氣氣體為氦氣，氣瓶為30MPa，浮空高度20km的情況下，對在不同任務載荷質量情況下浮空器外形半徑、體積以及氣瓶容積進行估算，結果如表2所示。

表2 不同任務載荷浮力體相關參數計算結果

由表3可以看出，同等條件下任務載荷質量增加，氣球的大小和氣瓶的容積也增加。在浮空器設計過程中，在安裝空間、充氣氣體質量和浮空高度確定的情況下，浮力體表面材料密度、氣瓶容積和充氣壓強直接決定了快速部署浮空器的載重能力。由于浮空器對安裝空間限制較大，因此提高浮空器浮力體載重能力的主要手段就是降低浮力體表面密度和提高氣瓶充氣壓強。同時，通過對任務載荷小型化、集成化設計可以大大降低對浮力體載重能力的要求。

2.4 浮空器分離過程

浮空器在展開過程中涉及多級減速和多次分離，運載器特性、充氣時間、分離界面類型都影響減速系統、分離系統的設計。

基于浮力體載重能力分析中充氣質量與氣瓶氣壓，計算得到充氣時間不大于500s。在不小于Ma=2的交班點速度下，根據某型號運載器特性，對運載器在再入過程中通過減速傘系統進行減速。當速度穩定到一定程度，通過減速傘將浮空器拉出，保證浮力體拉直開始充氣。充氣結束后，浮空器裝置分別與減速傘、運載器分離，浮空器上浮到設計高度，任務載荷開機，并執行相應的任務。

在設計中同時需要考慮在充氣過程中，減速傘、浮空器可能受到分離過程中的沖擊、風力等影響而產生旋轉，需要設計滿足要求的旋轉充氣結構和接口，才能確保充氣過程系統工作正常，且不影響后續分離動作。

大氣層內的分離問題，最大的困難在于分離氣動特性的復雜性，難以預測。原因是分離對象氣動特性與分離過程的狀態高度耦合、互相作用，分離狀態受分離氣動特性影響[6]。

基于設計的分離過程及各項技術指標，在減速過程中不少于15個狀態，在充氣展開過程中不少于4個狀態的氣動特性的條件下進行計算。在氣動計算基礎上建立六自由度動力學模型，對整個分離展開充氣過程的動力學特性進行分析，得到減速過程中艙體攻角振蕩幅度不大于0.07°，振蕩周期不大于450ms，從艙體攻角初始幅度至振蕩收斂為0的時間不大于4s。通過高空動力學分析，浮空器承受切變風風速覆蓋10m/s～50m/s。設計的浮空器分離展開過程工作穩定，能夠實現相應功能。

同時，對浮力體折疊包裝技術、拉直展開技術及高壓充氣技術進行了等效地面試驗驗證。設計了直徑為4.7m的縮比氣球作為浮力體，折疊包裝在浮力體艙內后將浮力體艙懸掛于空中。浮力體下端與浮力體艙連接，上端與空中懸掛系統連接。在空中突然切斷浮力體艙與空中懸掛的連接，通過配重模擬浮力體在瞬間拉直過程中承載不小于10g的過載，不小于19620N的強度拉扯。試驗成功驗證浮力體在拉直過程中能夠承載相應過載及強度，并且拉直后充分展開，有效驗證了浮力體在拉直展開過程的可行性。之后通過15MPa的氮氣瓶作為充氣設備，以600s時間完成對浮力體66L的充氣。等效驗證了充氣時間、浮力體高壓充氣的可行性。

3 快速部署浮空器關鍵技術

3.1 浮空器一體化設計技術

浮空器初始需要折疊壓縮安裝于運載器內部，在空中分離階段，由減速傘拉直，并進行充氣。浮空器的一體化設計技術包括浮力體結構、折疊壓縮、包裝、拉直展開和充氣管路設計。

一方面，浮空器對表面材料的密度、力學特性、環境適應性都有較高的要求，需要在設計過程中進行詳細的設計和實驗驗證。普通高空探測氣球充氣之前，需要將氣球蒙皮梳理順暢，在非受力狀態下進行零壓充氣。浮空器工作環境較為特殊，首先，浮空器表面材料在拉直展開中將承受相當大的瞬時沖擊。其次，浮空器需要在規定時間內完成充氣，必須采用大流量充氣方式來完成，在充氣過程中，需要確保浮空器表面材料不會因為大流量氣體沖刷而破損，也不會因為高壓氣體放氣過程中瞬間溫降過大而失效。最后，由于浮空器初始安裝在運載器內部，某些部件將承受飛行過程中約+100℃高溫環境，在充氣過程中需要承受低溫環境與充氣溫降的疊加，某些部件將承受最低約為-170℃低溫環境，需要開展浮空器一體化防熱保溫設計。

另一方面，運載器內部體積限制比較大，浮空器必須進行折疊包裝才能布置在運載器內。在分離過程中，浮空器在降落傘的作用下被拉出。如果折疊包裝形式不滿足要求，會導致蒙皮材料破損、拉出時蒙皮磨損。浮空器的折疊包裝是否合理，直接影響后續正常工作的性能。同時，浮空器的蒙皮面積較大，要將這樣一個面積的柔性材料以一定壓力折疊包裝在較小的空間內。如果包裝壓力控制不到位，將會導致蒙皮材料破損。如果包裝工藝設計不合理，將會導致蒙皮在拉出這個瞬時過程中出現不順暢，發生抽打、磨損、絞纏等問題。經過調研論證，浮空器的折疊壓縮和包裝在載人航天返回艙回收等型號中具備一定基礎，在本技術研究中也通過地面等效試驗進行了原理性驗證。后續需要開展1∶1空投試驗,對折疊壓縮包裝技術進行進一步驗證研究。

3.2 浮空器分離技術

浮空器的分離過程涉及連續多次分離動作，分離時序復雜，分離界面較多，分離特性各異，涉及分離火工品種類較多。

對于減速系統設計，主要采用減速傘進行減速。由于需要在高空、高速條件下開始減速至適宜充氣的條件，需采用兩級減速傘、多次開傘減速的設計。第二級減速傘為主減速裝置，第一級減速傘在高空超聲速條件下開傘將速度降至約100m/s，為第二級減速傘開傘創造條件。第一級減速傘采用2次開傘設計，在第一次收口開傘時承受16g過載、不小于80000Pa動壓；第二次全開傘時承受最大12g過載、24000Pa動壓。第二級減速傘同樣采用2級減速設計，承載最大5.6g過載、544Pa動壓。

對于分離裝置的設計，減速傘收口解除，減速傘與氣球、氣球與充氣裝置分離時，由于氣球、減速傘材料怕火，主要采用切割器進行分離。根據不同分離界面設計有收口繩切割器、吊帶切割器、管路切割器3種切割器類型。針對其他分離界面的特點，分別設計了彈蓋器、脫傘器、分離螺母及非電傳爆等分離裝置。

分離技術是浮空器整個工作過程成敗的關鍵，特別是高空超聲速條件下減速分離過程，在國內工程實踐中尚無先例，后續需要在前期原理性驗證試驗、分析論證的基礎上進行進一步的風洞試驗、空投試驗進行驗證。

3.3 浮空器定點定位技術

平流層氣流相對穩定，有利于浮空器在一定時間內保持在一定區域持續工作。因此，對浮空器定點定位技術的研究是提升浮空器工作時間性能的關鍵。

針對垂直方向的定點定位可以通過放氣、減質控制，或高壓空氣泵、可相變氣體控制等技術實現。放氣控制主要依靠減少浮空器內氦氣來使浮空器下降；減質控制主要是通過減少配重來使浮空器上升。高壓空氣泵主要通過在浮空器內部設置單獨的氣囊，通過氣泵向氣囊中壓縮空氣使浮空器下降，釋放氣囊中的空氣使浮空器上升。可相變氣體主要是通過控制浮空器內部獨立氣囊中的氣體在氣態和液態之間變化，從而控制浮空器高度的變化[7]。

在浮空器浮空高度設計中，為保證浮空器穩定在平流層而不因高度變化影響水平方位，還可以在部署高度時考慮一定裕量，通過增加初始部署高度來延長浮空器停留在平流層的時間。

對于后續能力的拓展，可以通過加入動力和控制裝置實現浮空器的水平定點功能。動力和控制裝置通過折疊和小型化設計，在太陽能以及氫氧燃料電池等供電方式[8]的保障下，使得浮空器在水平方向具備一定的定位能力，從而獲得更加精準的區域定位能力。

4 結論

本文對快速部署浮空器進行了介紹，充分說明了快速部署浮空器的優勢，結合前期大量調研、研究、設計、仿真分析、原理試驗驗證工作基礎，對快速部署浮空器總體技術進行了介紹，概括介紹了系統組成、浮力體設計、浮空器分離開展過程的設計結果。最后對快速部署浮空器中的關鍵技術進行了論述，為快速部署浮空器后續研究提供基礎。