一種聯(lián)翼式平流層飛艇的總體設計*

韓慶，喬梁，秦琪

(西北工業(yè)大學 航空學院，陜西 西安 710072)

0 引言

臨近空間是指地球大氣層中高度在20～100 km的空域，包括大氣平流層大部分區(qū)域、中間層全部區(qū)域和電離層部分區(qū)域[1]。在這個空域范圍中，一般的航空器無法實現(xiàn)正常的飛行機動。臨近空間空氣稀薄，氣流水平流動相對緩和，此區(qū)域的電磁輻射、紫外線輻射、濕度和溫度等環(huán)境相對復雜[2]。

長期以來，由于技術上的限制，臨近空間一直很難利用，但臨近空間有著獨特的優(yōu)勢。上可入天，下可入地，可以避免大多數(shù)地基和空基武器的打擊，又可作為空中平臺連接航空航天，組成空天一體化系統(tǒng)。隨著航空航天技術的迅猛發(fā)展和軍事斗爭領域的不斷拓展，臨近空間作為未來戰(zhàn)爭陸海空天電五維一體化戰(zhàn)場的重要組成部分，憑借獨特的空間和環(huán)境優(yōu)勢，其潛在的軍事應用價值受到各國的關注[3]。臨近空間飛行器主要分為低動態(tài)臨近空間飛行器和高動態(tài)臨近空間飛行器。低動態(tài)臨近空間飛行器主要包括系留氣球、平流層飛艇以及超高空長航時無人機，可用于情報偵察、探測和預警；高動態(tài)臨近空間飛行器包括高超聲速巡航飛行器、再入式滑翔飛行器、火箭/組合巡航型動力飛行器，可以實現(xiàn)臨近空間精確打擊、戰(zhàn)略威懾等。平流層飛艇具有相對載荷較大、滯空時間長、分布范圍廣、成本較低、安全性高和服役壽命長等特點，因此本文重點研究一種新布局的臨近空間飛艇。

1 飛艇總體設計方案

1.1 關鍵技術概述

平流層飛艇的運行環(huán)境(包括大氣特性、熱特性、輻射特性等)與低空飛艇或者航空器存在較大的區(qū)別，因此平流層飛艇的總體設計具有很大的難度，其關鍵技術包括飛艇總體布局、結構和材料、推進系統(tǒng)以及能源供應系統(tǒng)等技術。

目前,國內外對平流層飛艇的總體布局設計方法和流程比較成熟，但由于平流層飛艇工作環(huán)境的特殊性，飛艇外形優(yōu)化設計也具有很大的不確定性。常規(guī)流線型升力艇具有低阻力系數(shù)的優(yōu)點，可降低對飛艇推進系統(tǒng)和能源供應系統(tǒng)的要求，有利于減輕飛艇本身的質量。但由于蒙皮材料強度的不確定性，故常規(guī)型飛艇的體積和載重能力不會很大。尋求新型外形優(yōu)化設計成為飛艇設計的關鍵突破口。

平流層飛艇由于工作環(huán)境晝夜溫差變化劇烈，白天囊體內外壓強差可能達到1 000 Pa，囊體需要維持超壓狀態(tài)使飛艇到達既定高度并穩(wěn)定駐空，飛艇的囊體將很長時間內處于大載荷工作狀態(tài)，因此對囊體材料的強度和密封性具有很高的要求。另外平流層環(huán)境復雜，輻射強度大，因此，要求飛艇的蒙皮材料強度必須具有高強度、低透氦率、耐候性好和抗皺折好等特點。因此,研制更高強度、耐候性更好和透氦率更低的平流層飛艇的材料，成為未來幾年的主要發(fā)展方向。

平流層飛艇要想實現(xiàn)升空、空中巡航和定點飛行，推進系統(tǒng)是關鍵技術之一。飛艇憑借浮力和升力升空，動力系統(tǒng)對其進行姿態(tài)控制；空中巡航時，飛艇通過推進系統(tǒng)克服風阻等影響實現(xiàn)巡航；平流層飛艇在定點飛行以及返回著陸時，需要動力系統(tǒng)提供推進力和俯沖力，進而實現(xiàn)飛艇一定姿態(tài)的飛行。因此，高性能的螺旋槳技術和電機推進效率以及轉速和扭矩控制成為關鍵技術。在巡航階段，平流層飛艇必須具有穩(wěn)定的能源供應系統(tǒng)，來保證飛艇的正常工作，因此，飛艇的能源供應系統(tǒng)必須穩(wěn)定且高效，薄膜太陽能電池和儲能電池的布置是關鍵因素。可以預見的是，未來飛艇研制新的突破口可能在薄膜太陽能的轉化效率和儲能電池的比能量。

1.2 布局選型及設計方法

1.2.1 布局選型

下面通過現(xiàn)有樣機(見圖1和表1)，概括各布局平流層飛艇的特點。

圖1 常見的平流層飛艇

通過對臨近空間空氣流動規(guī)律以及幾種飛艇布局特點的分析，擬采用混合式布局即艇體加聯(lián)翼式布局為最終布局，如圖2所示。該布局飛艇結合了常規(guī)單囊體飛艇和V型飛艇的優(yōu)點，優(yōu)化的流線型艇身設計有利于降低飛艇的阻力，中間機翼的設計在飛艇高空巡航時提供一定的升力，有利于飛艇的機動飛行。

表1 平流層飛艇的布局形式及特點

圖2 聯(lián)翼式飛艇外形設計

1.2.2 設計方法

飛艇設計過程與飛機基本類似，從質量估算開始。高空飛艇設計時最初已知設計要求為駐空高度、最大飛行速度、任務載荷和任務系統(tǒng)能耗等，初步總體參數(shù)設計階段要從這些設計要求出發(fā)求得各分系統(tǒng)的初始質量。

典型的高空飛艇質量主要由以下部分組成：結構質量ms、太陽電池質量mt、儲能電池質量mb、推進系統(tǒng)質量md、機載設備質量meq以及任務載重mpl等組成[4]。總質量M為

M=ms+mt+mb+md+meq+mpl.

(1)

研究表明，對于非剛性平流層飛艇，蒙皮材料質量大約占整個飛艇空質量的一半，結構質量ms由式(2)估算：

ms=2ρmSm，

(2)

式中：ρm為蒙皮面密度；Sm為蒙皮面積。

太陽能電池質量mt計算公式為

mt=ρtSt，

(3)

式中：ρt為太陽能電池面密度。

儲能電池質量mb計算公式為

mb=Qn/w，

(4)

式中：Qn為儲能電池夜間供電的能量；w為電池能量密度。

推進系統(tǒng)質量md計算公式為

md=aP，

(5)

式中：a為推進系統(tǒng)單位功率質量；P為推進功率。

飛艇升力與浮力的計算公式為

(6)

Lf=V(ρa-ρHe),

(7)

式中：ρa為空氣密度；v為飛行速度；Sc為參考面積；CL為升力系數(shù)；V為艇體體積；ρHe為氦氣密度。

飛艇工作狀態(tài)需用功率Pxu為

Pxu=Pt+Ps，

(8)

式中：Pt為推進系統(tǒng)需用功率；Ps為設備需用功率，推進系統(tǒng)需用功率計算公式為

(9)

式中:CD為阻力系數(shù)。

1.3 結構材料的設計與選擇

1.3.1 飛艇的基本結構

從結構上分類，飛艇主要有3種類型：軟式、半硬式飛艇、硬式飛艇。軟式飛艇一般采用的是多氣囊結構，不符合我們的要求，硬式飛艇主要結構為剛性結構件，也不符合我們的要求[5]。

與軟式飛艇相比，半硬式飛艇除了具有軟式飛艇的基本結構以外(主氣囊、副氣囊、尾翼、載荷艙、動力艙等)，半硬式飛艇囊體艇內還設有支撐骨架或者少許骨架，并且從主氣囊頭部到尾部貫穿著一個剛性龍骨來承擔飛艇和設備質量。橫向的支撐環(huán)主要承擔環(huán)向荷載，縱向龍骨鋪在主氣囊底部，主要承擔縱向整體或局部荷載，它與氣囊的共同作用下形成剛柔一體的協(xié)同受力體系，既能保持艇體適當外形，又能更好地分擔彎矩及分散一些集中荷載，使飛艇具有更優(yōu)異的結構性能，圖3為半硬式飛艇內部骨架示意圖[6]。

圖3 半硬式飛艇內部骨架

1.3.2 工作原理

飛艇內部有2個空氣囊和1個主氣囊，飛艇的主氣囊裝滿輕于空氣的氣體(如氦氣)，提供總的浮力。

空氣囊裝有空氣，又稱為副氣囊。副氣囊內填充空氣，可以在周圍溫度及高度變化時填充或釋放空氣來保持主氣囊的壓差，并且還可以通過充/放不同位置副氣囊的空氣來調節(jié)飛艇的飛行姿態(tài)，副氣囊還能起著調節(jié)浮力大小的作用，這種作用與潛水艇的工作原理相似。副氣囊通過閥門和風機與外界大氣進行質量交換，飛艇升空時，隨著高度的增加，壓力控制系統(tǒng)通過壓差傳感器的反饋，判斷是否打開副氣囊的排氣或充氣裝置，對副氣囊進行放氣或充氣來控制飛艇內部氣壓，保證飛艇囊體內外壓差保持在一個合理的范圍內。

在飛艇的尾部采用交叉尾翼，尾翼上共有4個舵面，分別為2個升降舵和2個方向舵。為了抵御風對于飛艇的影響，采用了尾部椎力或兩側矢量推力，矢量推力可以在縱向平面內自由偏轉，輔助飛艇的升降。

1.3.3 主囊體材料

(1) 蒙皮材料

飛艇的工作環(huán)境和工作特點決定了蒙皮材料的性能，處于臨近空間的飛艇由于其工作的空間環(huán)境溫度較低，晝夜溫差較大，紫外線輻射和臭氧輻射較強，所以蒙皮材料要求盡可能輕(蒙皮材料面密度過高會使飛艇浮力減小，難以達到設定的高度)、高強度(強度大安全系數(shù)更高)、耐候性好(飛艇工作環(huán)境決定蒙皮材料必須耐候性好)、低透氦率(飛艇工作高度大，時間長，所以要求材料低透氦率)和抗皺折等特點[4]。飛艇蒙皮材料由耐候層、阻氦層、承力層，粘接層和焊接層5部分組成。當前沒有單一的薄膜材料能同時滿足以上要求，通過膠粘劑可以粘合不同功能的結構層從而形成層壓復合材料，形成的層壓結構具有高強度、低透氦率、耐候性好和抗皺折好等特點[7]。

1.3.4 副氣囊體材料

主囊和副囊的膜材因工作環(huán)境不同，要求也不同，主囊膜材應具有高強力、高模量、高比剛度、抗老化力強、抗撕裂、抗氦滲透和低蠕變特性，副氣囊則應具有極高的阻氦氣滲透、柔韌抗彎、耐磨性好、輕質、強度適中。

內氣囊常在外氣囊內摩擦，因此內外氣囊的材料耐磨性就特別重要；內外氣囊之間無壓差，故內氣囊膜的受力很小，強度較低[8]。

副囊材料的結構可以分成2層：承重層、阻氦層。承重層可用超薄型聚酯或尼龍纖維薄紗(Mylar)；阻氦層可用雙面涂層聚乙烯。

1.4 動力能源的選擇與研究

1.4.1 動力與能源系統(tǒng)概述

本文所設計的飛艇能量均來源于薄膜太陽能電池，太陽能電池在光照時間內所產(chǎn)生的能量，白天給電動機供電，經(jīng)減速箱驅動螺旋槳旋轉，從而實現(xiàn)飛艇的正常工作，同時將多余的電能儲存在儲能電池以供夜晚和光照不足時使用。圖4為飛艇動力系統(tǒng)的工作原理圖。

圖4 飛艇動力系統(tǒng)工作原理

1.4.2 飛艇電機動力裝置的類型

飛艇的動力裝置采用現(xiàn)在發(fā)展較為成熟的稀土永磁電機。稀土永磁無刷直流電動機采用電子換相，有效解決了有刷直流電機換向火花和高空換向困難的問題。圖5為稀土永磁無刷直流電動機通過減速箱帶螺旋槳的效率測試結果。試驗結果表明，該電機調速性能優(yōu)異，電機效率高達90%。

圖5 電機效率-輸出功率曲線

相比于交流異步電機，稀土永磁無刷直流電動機整體的結構簡單、效率高、功率密度高、損耗性小、可靠性和控制性能更優(yōu)異，因此高空飛艇電推進系統(tǒng)動力裝置的首選是稀土永磁無刷直流電動機。

1.4.3 螺旋槳技術初步研究

在提高螺旋槳效率方面，通過優(yōu)化翼型，優(yōu)化槳葉平面布局，以及槳尖小翼外形優(yōu)化，獲得了高度 20 km、功率 30 kW的臨近空間槳梢小翼螺旋槳最優(yōu)設計方案，通過風洞縮比試驗模型，進行試驗驗證。結果表明，最優(yōu)槳梢小翼螺旋槳布局方案的效率從51%提高到56%[9]。在臨近空間高效率螺旋槳氣動設計方面，劉沛清設計的定距三葉螺旋槳方案，螺旋槳吸收功率12.72 kW，槳徑為6.5 m。在高度20 km風速20 m/s時螺旋槳效率可以達到75.8%[10]。

1.4.4 推進系統(tǒng)能量來源

(1) 薄膜太陽能電池

多硅晶薄膜太陽能電池是一種相對較新的薄膜太陽能電池技術，具有很大的降低成本和增加轉換效率的上升空間。目前最成熟的多晶硅薄膜太陽能電池技術基于固相晶化SPC工藝，子組件的轉換效率達到了約9%，為能夠達到更高的性能，開展了大量的研究工作，以提高結晶質量，并且最終實現(xiàn)12%的組件轉化效率和相應的大規(guī)模生產(chǎn)工藝[11]。

(2) 儲能電池

鋰離子電池具有能量密度大、充電效率高、自放電小、壽命長、可串并聯(lián)組合設計等一系列優(yōu)點，已在3C電子產(chǎn)品、電動汽車、電動工具以及地面儲能電站等方面得到廣泛應用。20世紀90 年代末期，隨著鋰離子電池技術成熟度的不斷提升，國際上開始了鋰離子電池在航天器上的應用研究。通過近20年的發(fā)展，目前鋰離電池已成為繼鎘鎳電池和氫鎳電池后的第3代空間儲能電源，并逐漸占據(jù)主導地位，顯著提升空間飛行器的能源技術水平[12]。國內研制的鋰離子電池已經(jīng)應用在各種型號的衛(wèi)星上，其容量從10～50 Ah不等，比能量最高200 W·kg-1，壽命較長、輕質化、一體化程度高，未來鋰離子電池的發(fā)展將邁向體系優(yōu)化、生產(chǎn)工藝更加先進、安全性能更好、壽命更長、比能量更高、耐高溫高壓方向發(fā)展。

1.4.5 飛艇電池陣發(fā)電功率計算

本文所設計平流層飛艇能源供應系統(tǒng)主要由柔性太陽能薄膜電池陣和高性能貯能電池2部分構成，太陽能電池陣滿足飛艇白天的能源供應，而貯能電池(如可再生燃料電池等)滿足飛艇夜間和光照不足時的能源供應。

(1) 太陽電池陣發(fā)電功率計算

飛艇表面太陽能電池陣的發(fā)電功率計算實質上是個通量計算問題，本文采用近似的解析方法和精確的數(shù)值計算方法相結合來計算飛艇所需要的發(fā)電功率。其中飛艇的物理模型簡化如下所示。

平流層飛艇太陽能電池陣的鋪裝與飛艇聯(lián)系緊密。考慮到飛艇的艇身形狀類似于橢球形狀，且低阻力飛艇外形長細比大概為4，而太陽能電池陣鋪裝在飛艇最大直徑上表面處，因此可以考慮將太陽電池陣形狀近似等效成圓柱體外形。接著，重點研究飛艇外形為圓柱體的太陽能電池陣，鋪裝方式如圖6所示。其中。L為圓柱形太陽電池陣鋪設長度；D為圓柱形太陽電池陣直徑。從橫截面方向上看，γ為太陽電池陣鋪裝角度；λ太陽能電池陣偏置角度，從飛艇頭部往尾部看，定義順時針方向為正。

圖6 電池板鋪裝方式

飛艇提供功率的數(shù)學模型如下所示。

平流層氣流水平流動較為穩(wěn)定，垂直運動受到抑制。假定飛艇運行在當?shù)厮矫嫔希w與地面保持平行，飛艇頭部指向正東；同時假定太陽能電池陣鋪裝角度為0，即λ=0。圖7為飛艇圓柱表面電池陣與太陽輻射向量的幾何關系。其中Ox軸指向正南，Oy軸指向正東，Oz軸指向天基。

對于飛艇圓柱面而飛言，如果曲面某點太陽光入射方向與該點法線方向的夾角大于或等于90°，那么此處肯定會被遮擋，沒有入射光線。飛艇表面太陽入射光線遮擋幾何關系如圖8所示。圖中，α0是圓柱表面太陽光照射區(qū)與陰影區(qū)的分界角度；α是太陽電池陣上照射區(qū)的分界角度。

圖7 飛艇圓柱表面電池陣與太陽輻射向量的幾何關系

圖8 太陽入射光線遮擋幾何關系

太陽赤緯角δ是地心與太陽中心連線與地球赤道平面的夾角，計算公式為

(10)

式中：N為積日，是日期在年內的順序號，如1月1日的積日為1，以此類推。飛艇太陽輻射密度的計算公式為

I=I0ηρ(1-μ)，

(11)

式中：I0為平均太陽輻射密度，這里取1 352 W·m-2；η為太陽能電池的光電轉化效率；ρ為太陽能電池的綜合損失因子，主要考慮了太陽能電池的紫外輻照損失、偏照損失和組合損失；μ為大氣衰減系數(shù)。

圖9為太陽光線入射到面元的示意圖。圖中，s表示入射光線，m表示面元的法向量。

根據(jù)每個面元的2個向量叉乘求出每個面元的單位法向量，根據(jù)法向量在坐標平面的投影求出每個面元的傾斜角和方位角。

而方位角的求解公式為

cosθ=sinδ(sinφcoss-cosφsinscosγ)+

cosδ(cosφcoss+sinφsinscosγ)·

cosω+cosδsinssinγsinω+

cosδsinssinγsinω,

(12)

cosθ=a+bcosω+csinω,

(13)

式中：φ為地理緯度；θ為方位角；s為傾斜角。

而且，我們也需要日出太陽時角ωr和日落太陽時角ωs，其計算公式為

ωr=-arccos(-a/D)+arcsin(c/D),

(14)

ωs=-arccos(-a/D)+arcsin(c/D).

(15)

圖9 入射示意圖

太陽時角與時間的關系為

ω=πt/(12-π),

(16)

I′=(cosθsinω,cosθsinω,sinθ).

(17)

根據(jù)面元單位法向量與太陽輻射單位矢量能求出面元單位法向量與太陽輻射單位矢量的夾角，這個夾角的余弦值與太陽輻射通量密度的乘積，即每個面元的太陽輻射通量密度。

2 可行性分析

2.1 總體設計可行性

現(xiàn)有參數(shù)以及任務要求如表2所示。

現(xiàn)對所設計艇體加聯(lián)翼式飛艇進行總體氣動特性計算，并分析其可行性。

(1) 初始構型參數(shù)計算

首先對其初始設計進行3D建模，并對其進行進行氣動分析，得到其氣動特性曲線圖，如圖10～13所示，分別為升力系數(shù)曲線、阻力系數(shù)曲線、升阻比曲線以及升阻極曲線。

由升力系數(shù)曲線圖可知，與常規(guī)式升力式飛行器類似，艇體加聯(lián)翼設計全機升力系數(shù)隨迎角增大而增大，在計算范圍內基本呈線性增加，在計算范圍內未出現(xiàn)失速。阻力系數(shù)曲線與常規(guī)機翼走勢相似。根據(jù)升阻比曲線，該設計最大升阻比出現(xiàn)在約2°攻角處，約為8.3，此時升力系數(shù)為0.467，阻力系數(shù)為0.057。

(2) 總體參數(shù)計算結果

對上述構型進行詳細參數(shù)設計，得到滿足任務需求的總體設計參數(shù)結果，如表3所示。

可以發(fā)現(xiàn),艇體加聯(lián)翼設構型的設計尺寸、質量較小；由于升力面的加入，使得飛艇部分質量由升力平衡，這樣使得飛艇的尺寸與質量得到降低，因此該布局較為合理。

表2 現(xiàn)有參數(shù)以及任務要求

圖10 升力系數(shù)曲線

圖11 阻力系數(shù)曲線

圖12 升阻比曲線

圖13 升阻極曲線

表3 聯(lián)翼式飛艇總體設計參數(shù)

2.2 參數(shù)敏感性分析

針對設計的聯(lián)翼式平流層飛艇，對飛艇總質量影響較大的一些參數(shù)，對總質量進行了參數(shù)的敏感性分析，分析結果如下所示。不同海拔下總質量對比曲線圖如圖14所示。

圖14 總質量隨高度的變化圖

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨高度的增大，總質量急劇增大，特別在30 km以上的區(qū)域，增大十分明顯。分析其原因，是因為隨著高度的增加，空氣密度急劇下降，使得飛艇的浮力急劇下降，這導致平衡一定的重力時需要更大的艇身體積來容納更多的氦氣，但增大艇身體積的同時又會帶來飛艇本身質量的增大，如此下來，需要平衡的重力更加的多，導致飛艇體積進一步增大[13]。

圖15,16為太陽能電池效率以及太陽能電池的面密度對總質量的影響曲線圖，其中橫坐標分別為太陽能電池效率增加比例以及太陽能電池面密度減小比例，縱坐標為總質量減少比例。隨著太陽能電池效率的提高，單位面積的太陽能電池將太陽能轉化為電能的能量就更多，從而在相同條件下所需太陽能電池鋪設面積就更小，這樣使得太陽能電池質量就更小，從而使得總質量減小；同樣，太陽能電池面密度越小的情況下，相同面積太陽能電池質量更小，使得飛艇總質量就更小。

圖15 太陽能電池效率對總質量的影響

圖16 太陽能電池面密度對總質量的影響

圖17,18為儲能電池能量密度以及儲能電池充電效率對總質量的影響曲線圖，其中橫坐標分別為儲能電池充電效率增加比例以及儲能電池能量密度減小比例，縱坐標為總質量減少比例。隨著儲能電池充電效率的提高，在儲存相同電量的情況下，所需太陽能電池為儲能電池充電這一過程提供的總能量會減小，使得所需太陽能電池面積就更小，這樣使得太陽能電池質量就更小，從而使得總質量減小；同樣，儲能電池能量密度越大的情況下，儲存相同的能量，儲能電池質量越小，這就使得飛艇總質量更小。

圖17 儲能電池能量密度對總質量影響

圖19為推進效率對總質量的影響曲線圖。其中橫坐標為推進效率變化比例，縱坐標為總質量減少比例。推進效率對總質量的影響體現(xiàn)在，隨著推進效率的增加，在克服相同阻力的情況下，其所需能量更小，這使得太陽能電池以及儲能電池質量都減小，從而使得總質量減小。

圖18 儲能電池充電效率對總質量影響

圖19 推進效率對總質量影響

圖20為蒙皮面密度對總質量影響曲線圖。其中橫坐標為蒙皮面密度減少比例，縱坐標為總質量減少比例。蒙皮面密度的變化直接影響著飛艇總質量，由于飛艇的蒙皮占了很大的面積，隨著蒙皮面密度的減小，飛艇總質量就減小，帶來的效果是飛艇所需的升、浮力減小，使得飛艇體積得到減小，這又導致阻力減小，從而使得太陽能電池以及儲能電池質量減小，使得質量進一步減小。

圖20 蒙皮面密度對總質量影響

針對以上結果，對比分析可以得到，各參數(shù)對飛艇總質量影響排序分別為：蒙皮面密度、推進效率、太陽能效率、儲能電池能量密度、太陽能電池面密度、儲能電池充電效率。其中可以發(fā)現(xiàn)，蒙皮面密度對總質量的影響最為突出，其原因是，飛艇表面積巨大，導致其蒙皮的質量十分巨大。

3 應用前景分析

3.1 研究前景

平流層的氣象條件下比較穩(wěn)定，日照時間長，且處于大多數(shù)戰(zhàn)斗機和防空武器的射高范圍之外，適合飛行器長時間駐留[14]。平流層飛艇與衛(wèi)星相比，距離地面較近，相對載荷較大，研制經(jīng)費可能更少，可以實現(xiàn)對地對空的精確監(jiān)視，既有比衛(wèi)星更高的分辨率，同時必要時可以攜帶精確制導武器實現(xiàn)對地對空的打擊，且有著衛(wèi)星不具有的一些軍民價值；與飛機等航空器相比，平流層飛艇距離地面高度較大，監(jiān)視范圍更加廣泛，覆蓋半徑更大，目前預警機對地的雷達視距大約在400 km，而平流層飛艇最多可達1 000 km左右，是前者的2倍左右。綜上所述，平流層飛艇在軍用方面可以作為具有軍用通信、遠距離偵察、情報探測、導航和預警偵察等功能的通用平臺，具有滯空時間長、探測半徑大、可定點飛行、載荷能力強和效費比高等優(yōu)點，擁有極高的戰(zhàn)略應用價值[15]。在民用方面平流層飛艇也具有很大的應用前景。可以說，平流層飛艇是集飛機等航空器和衛(wèi)星等航天器性能于一體的優(yōu)異平臺，因此，美、俄、歐、日等國先后啟動了平流層飛艇研發(fā)工作。

3.2 應用需求

3.2.1 軍用需求

(1) 武器平臺和指揮體系

臨近空間空氣稀薄，激光的傳播衰減極小，在20 km高度水平傳輸50 km激光的透過率為98.8%，因此平流層飛艇是激光武器和定向能武器理想的應用場景。其上可攻擊敵方偵察衛(wèi)星和反導，下可實現(xiàn)空氣動力目標的防御。與反衛(wèi)星導彈以及反導導彈相比，其成本低廉，可以重復使用，且能夠獨立完成任務。又可對地面目標、空中目標進行精確打擊，搭載電子設備進行電子對抗，還可作為指揮平臺對整個戰(zhàn)場進行把控。

(2) 中繼通訊與情報收集

平流層飛艇具有飛行高度高、探測覆蓋范圍廣以及隱身性能好，因此可以搭載通訊設備與偵察設備對敵方目標進行長時間監(jiān)控。

3.2.2 民用需求

(1) 應急通訊

當突發(fā)自然災害時，往往面臨著通訊中斷的問題，通訊中斷導致外界無法知道災區(qū)受災情況，從而影響救災的執(zhí)行和調度，耽誤救援的黃金時間。采用高空飛艇搭載通訊設備在災區(qū)上空實現(xiàn)長時間駐留，為災情的控制爭取時間。

(2) 邊境監(jiān)控

我國國土資源遼闊，邊境線長而且很多地方環(huán)境惡劣，物資供應困難，生活條件和設施很差，邊境軍人需要忍受常人難以忍受的痛苦，生病難以就醫(yī)等。用高空飛艇搭載監(jiān)控設備，能夠實現(xiàn)大范圍監(jiān)控，同時也可減少邊境值勤人員的數(shù)量。

4 結束語

本文設計分析了一種聯(lián)翼式平流層飛艇，這種飛艇有其他常見幾款飛艇的特點，并且總體布局合理，在高空中飛行時有著合理的升阻比。通過太陽能電池板可以獲取足夠的能源來維持24 h不間斷的浮空巡航，從而可以實現(xiàn)地面監(jiān)視、高空預警、氣象預報、信息中轉的功能。飛艇應用更為高效的太陽能電池板和儲能電池后，可以搭載更多的電子設備來進行更多、更復雜的任務。

還需加強能量轉換效率、整體材料的質量、蒙皮材料改進等關鍵技術攻關，因此在解決這些關鍵問題后，這種平流層飛艇有著廣闊的應用前景，在未來相關技術的改進必會提高飛艇的整體性能。