平流層浮空器的現狀和技術趨勢

秦利宇 戴秋敏

摘 ?要：平流層浮空器是一種位于平流層中的飛行器，通常是指20公里以上的無人駕駛飛艇或氣球，用于組成電信網絡或進行遙感測控。在20世紀最后十年和21世紀最初十年，曾啟動了幾個項目，但很少有項目繼續下去。2014年，兩家主要互聯網公司（谷歌和Facebook）宣布投資新的平流層浮空器項目，在沒有通信基礎設施（地面基站或衛星）的地區提供互聯網接入，使人們重新關注平流層浮空器的發展。文章旨在調查平流層浮空器的歷史、現狀、技術趨勢和挑戰。

關鍵詞：平流層浮空器;技術挑戰;技術發展趨勢

中圖分類號：V27? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0156-02

Abstract： Stratospheric aerostats （HAPs） are， usually unmanned airships or airplanes positioned above 20 km， in the stratosphere， which are used to compose a telecommunications network or perform remote sensing. In the 1990 and 2000 decades， several projects were launched， but very few had continued. In 2014， two major Internet companies （Google and Facebook） announced investments in new Stratospheric aerostats projects to provide Internet access in regions without communication infrastructure （terrestrial or satellite）， bringing back attention to the development of Stratospheric aerostats. This paper aims to survey the history of Stratospheric aerostats， the current state-of-the-art， technology trends and challenges.

Keywords： stratospheric aerostats; technological challenges; technology trends

1 介紹

在上世紀90年代和本世紀初，在美國、日本和韓國啟動了大型項目[1]、[3]，以探索平流層浮空器在電信和遙感方面的潛在應用。

平流層浮空器是高度20公里以上，位于平流層的飛行器，用于民用或軍用通信網絡或遙感。這些飛行器可以是有人駕駛或無人駕駛的飛艇或氣球。平流層是大氣層中的一層，平流層開始于對流層頂部--兩極7公里和赤道18公里的高度，延伸至約50公里。溫度從對流層頂的恒定溫度約-60°C開始，隨著海拔升高而升高。平流層浮空器飛行的高度范圍約為20公里，其原因是在這個高度上風速較小，因此，平流層浮空器維持位置所需的功率較小。

2 應用

平流層浮空器的主要應用領域是民用和軍用的電信及遙感。在電信領域，平流層浮空器相對于地面中繼塔的一些優點是覆蓋面積更大，障礙物（建筑物、地面高程）造成的干擾更少，部署時間更短。與衛星相比，平流層浮空器具有較低的傳輸延遲、便于返回維修，同時可進行有效載荷的重新配置[1]。

在遙感方面，與衛星（主要是低軌道衛星）相比，平流層浮空器具有一個重要的優勢，即能夠在一個區域內持續很長時間。另一個優勢是可以得到分辨率更高的圖像，因為它們更接近覆蓋區域。

3 文獻計量分析

科學出版物的文獻計量分析是支持新技術預測的重要工具[4]。在本文中，利用文獻計量來分析在平流層浮空器領域發表較多論文和取得較多科學進展的國家，并構建了分析曲線。本文分析了以下文獻數據庫： Web of Science和Google Scholar。搜索內容包括：題目、關鍵詞和摘要，采用了以下搜索條件：“平流層浮空器”、“高空飛艇”、 “平流層飛艇”、“平流層氣球”、“高空平臺”、“平流層平臺”。為了消除重復結果以及與本研究主題無關的結果，我們對每一篇文章摘要進行了分析。當文獻與平流層浮空器主題直接相關時，它們才被認為是有效的。在這一過程中，約有30%在搜索中獲得的文獻被刪除。

經過篩選，在1990年1月至2015年12月，共發現與平流層浮空器直接相關的科研論文969篇，1968年至1989年平均每年發表1篇左右，共發表22篇，未納入調查范圍。論文數量最多的5個國家的出版總數分別為：中國（237份）、美國（202份）、意大利（87份）、英國（69份）和日本（60份）。圖1顯示了這5個國家每年科學出版物的分布情況。從2009年起，中國成為在平流層浮空器上發表科學文章最多的國家，而在其他國家，發表的文章則有所減少。由此可見，我國雖然在平流層浮空器領域起步較晚，但是平流層浮空器所產生的民用和軍用價值在我國也受到了高度重視。

4 挑戰

平流層浮空器在平流層中運行，需要解決的重大的技術挑戰主要是：輕量化結構、能量產生和儲存、熱管理、低空運行和可靠性。下面將對這些挑戰逐一論述。

4.1 輕量化

平流層浮空器的通常運行高度約20公里，在這里空氣稀薄，大氣密度約為海平面大氣密度的7%。因為空氣浮力與空氣密度、飛艇和氣球的體積成正比，因此在平流層平臺設計中，如果考慮相同的設計特點--總重量、氣動外形、運行速度等，那么平流層飛艇的尺寸必須比根據海平面條件確定的飛機尺寸大14倍左右。這些大尺寸導致了對平流層浮空器的重量需要進行嚴格的優化。

平流層飛艇和氣球的包覆材料必須具有低重量特性、高強度、高承受損傷（撕裂、針孔）的能力，以及氣體的低滲透性、低溫下的柔韌性、抗紫外線輻射和臭氧環境下低降解等性能。它的外層通常為薄膜材料，用于分隔內外氣體;內部纖維主要用于提供結構強度和粘合層連接。

4.2 能量的產生和存儲

與任何飛行器一樣，平流層浮空器需要一個能源為其系統和有效載荷供電。平流層浮空器項目的目標航行時間很長，大約為數月甚至數年。目前，平流層浮空器的主要能源供應方式是太陽能電池發電[5]。對于超長續航的平流層浮空器，最常用的解決方案是白天通過光伏電池將太陽能轉換成電能，部分電能用于平臺的正常運行，部分電能用于為存儲系統充電，通常是充電電池或RFC，以便在晚上使用。

4.3 熱特性

升力氣體與外部大氣的溫差直接影響著平流層飛艇和氣球的性能。當內部氣體的溫度高于外部空氣的溫度時，這種效應稱為過熱;反之為過冷。這種溫差可能是由以下幾個因素引起的，如太陽直接輻射、太陽輻射在地球表面或云層上的反射、上升或下降過程中上升氣體的膨脹、大氣溫度的變化（白天/夜晚）以及光伏電池的運行引起的發熱等。平流層浮空器的熱特性研究，包括熱平衡的數學建模和絕緣材料的使用，是一項需要加強的研究內容。

4.4 低空作業

平流層浮空器的運行高度約為20公里，那里稀薄的空氣相對平靜，風速較低。因此，與設計用于低海拔運行的飛行器相比，平流層浮空器具有低功率推進系統和輕且脆弱的結構。對流層中的強風和湍流可能導致平流層浮空器的墜毀，例如2003年的Helios飛艇和2015年的Solara 50飛艇事故。因此，在低空飛行，特別是在發射和回收階段，選擇合適的天氣窗口是非常重要的。例如Zephyr飛艇選擇在沙漠地區晴朗無風的天氣條件下發射[6]。在低空條件下，放飛區域的天氣預報對平流層浮空器的成功運行具有重要影響。因此，飛艇飛行軌跡的仿真模擬研究也是非常必要的。

4.5 可靠性

數月甚至數年的長時間飛行意味著平流層浮空器需要有高可靠性的設備。平流層的環境在某些方面與太空很相似，例如非常低的溫度、顯著的溫度周期（白天/晚上）以及強烈的太陽輻射和紫外線。因此，一個可靠的平流層浮空器需要采用高成本的太空設備和組件。這些太空設備和組件甚至必須應用于整個平流層浮空器系統，包括地面基站和數據連接。

5 技術趨勢

基于平流層浮空器項目的發展現狀，下面將對該領域可能的技術趨勢進行分析。為了實現超長續航，目前的平流層浮空器項目大多是無人機，這一趨勢正在日益加強。平流層浮空器項目的主要能源（太陽能電池板）的使用將會增加。對于夜間電能存儲，目前還不確定會優先選擇充電電池，如鋰硫電池，還是RFC。由于電動汽車工業的發展，這兩項技術有望在未來幾年取得重大進展。

本文分析了7個平流層浮空器項目的信息，其中有5個項目在無法確定是否能獲得理想成果的情況下關閉，2個項目正在進行中（泰勒斯Stratobus、谷歌Loon）。這一發現表明，平流層飛艇目前仍處在實驗研究階段，其技術成熟度尚未達到批量生產和商業運營的水平。目前，開發平流層浮空器項目所涉及的技術風險仍然較大。

6 結論

平流層浮空器具有的超長續航、部署周期短、成本低（與衛星相比）、覆蓋面積大（與地面發射站相比）等優點，因此具有不可替代的地位。但是，其發展仍然不是一帆風順，面臨諸多挑戰。在21世紀初平流層浮空器這一概念并沒有引起人們很大的興趣。一些看起來很有希望的項目，如日本、韓國的飛艇和美國的ERAST飛機，也都沒有繼續進行下去。在軍事領域，美國在伊拉克和阿富汗沖突中的參與度下降，導致美國國防部停止了平流層浮空器項目。2003年的Helios飛艇事故和2011年的HALE-D飛艇事故，以及部分項目的中止，提醒人們，與平流層浮空器相關的技術仍處于較低的成熟度。一些技術難題仍然需要克服，例如：輕量級結構、RFC儲能、飛艇熱管理、低空作業和系統可靠性。

文獻計量分析顯示，2009年之前，在平流層浮空器領域發表論文最多的國家分別是美國、意大利、英國和日本。目前，中國已成為平流層浮空器領域科技論文的主要來源國。從2013年起，空客國防與航天公司、泰利斯阿萊尼亞航天公司、谷歌和Facebook對平流層浮空器項目的投資，給平流層浮空器的發展帶來了新的希望。

參考文獻：

[1]Levine J （2004） The promise of ERAST.

[2]Eguchi K， Yokomaku Y （2000） 2000 Overview of stratospheric platform airship R&D program in Japan. 2nd Stratospheric Platform Systems Workshop， 12-15.

[3]Lee HJ （2006） R&D on HAPs in Korea. ETRI.

[4]Daim TU， Rueda G， Martin H， Gerdsri P （2006） Forecasting emerging technologies： use of bibliometrics and patent analysis. Technol Forecast Soc Change 73（8）：981-1012.

[5]Zhu X， Guo Z， Hou Z （2014） Solar-powered airplanes： a historical perspective and future challenges. Progr Aero Sci 71：36-53.

[6]Rapinett A （2009） Zephyr ： a high altitude long endurance unmanned air vehicle （Master's thesis）. Guildford： University of Surrey.