淺談浮空器平臺在預警監視領域應用

摘 要：飛艇是具有推進裝置的浮空器，由艇體、尾翼、吊艙和推進裝置等部分組成。推進裝置包括發動機、減速器和螺旋槳，為飛艇提供前進動力。其關鍵技術涉及材料、結構、能源、控制技術等方面。控制技術包括動力控制、壓力控制、姿態控制、定點控制、溫度控制等。

關鍵詞：平流層;飛艇;關鍵技術

1 飛艇平臺概述

飛艇是具有推進裝置的浮空器，由艇體、尾翼、吊艙和推進裝置等組成。推進裝置包括發動機、減速器和螺旋槳，為飛艇提供前進動力。控制飛艇升降的方法有多種，如拋掉水或沙袋等壓艙物或冷卻回收發動機尾氣中的水分補充壓艙物;經排氣門放掉一些氣體或用儲氣罐補充氣體;操縱螺旋槳轉向，改變推力矢量方向產生垂直方向的升力等。

2 平流層飛艇平臺發展現狀

美國對于平流層飛艇平臺的探索較早，最先提出飛艇平臺概念。美國 Sky Station International（SSI）公司首先提出輕于空氣的高空平臺計劃。ANGEL TECHNOLOGIES 與 SKYSAT 公司基于不同技術進行平流層平臺的研制。Lockheed Martin 公司的核心工作是開發宇航、航空技術裝置及進行系統綜合，該公司與其他公司于 1998 年開始進行可行性研究，完成后，進入驗證飛艇的組裝、試驗階段。

日本對平流層飛艇平臺的研究也起步較早，由于政府大力支持，已取得豐碩研究成果，在諸如材料、能源、結構設計、控制及熱解析等多項關鍵技術方面走在世界前列。進入新世紀，日本實施了“千年計劃”，即從2000年開始，在系統及關鍵技術基礎上，開發平流層飛行試驗艇和低空定點試驗艇。

3 平流層飛艇平臺的關鍵技術

3.1 材料技術

飛艇所處環境要求艇體的材料與一般飛行器不同，飛艇艇體結構所使用的輕質、高強度材料，必須具備：輕質且高強度，抗老化，抗紫外線;對氦氣密封性好;能適應平流層大氣環境。在高海拔，由于浮力小，若要使機體規模小，則需輕質高強度膜材，浮力小和機體規模小是長滯空不可缺少的條件，故單一素材很難滿足，須開發具有多性能的薄膜素材組合而成的積層膜。目前，日本在研制飛艇材料方面較先進。構成平流層飛艇外膜的材料通常包括基布、氣體隔離材料和保護材料。基布是保持飛艇內壓，確保強度的材料，由聚苯炳惡脞纖維（PBO）和聚芳酯纖維（PA）組成。

3.2 結構設計

目前，飛艇結構有硬式、半硬式和軟式 3 種。半硬式飛艇采用氦氣囊和飛艇的外蒙皮雙重結構，通過氦氣囊和外蒙皮間的空間，在氦氣囊的外部設有一定壓力的空氣層，以減少氦氣的慢性泄漏。采用設置多個氦氣囊方式，可防止在局部發生氦氣泄漏時發生飛艇因喪失浮力而急速墜落。為減小阻力，大多飛艇平臺系統采用橢球體流線型。此外，飛艇尾部有“×”字形或“+”字型的升降舵和方向舵等控制舵，以控制升降及完成各種運動

3.3 能源技術

平流層能否長年累月地提供連續電能是關鍵。目前，采用的能源技術有兩類：① 太陽能電池結合蓄電池提供能量，該電池通過光電效應或光化學效應直接把光能轉化成電能。白天把光能轉化為電能，并在提供連續電能的同時，對蓄電池進行充電，到了夜晚，再由蓄電池供電;② 太陽能電池和再生燃料電池（RFC）共同存儲和提供能量。再生燃料電池是化學電池，有兩個系統：① 燃料電池，含氫和氧的電化學反應產生電能和其副產品—水;② 電解，利用外部能量發生電化學反應，使燃料電池產生的水再次轉變為氫和氧。對 RFC 技術，美國聯合技術公司（UTC）處于世界領先地位。

3.4 控制技術

（1）動力控制

平流層飛艇要實現長期定點，需利用發動機作為動力裝置帶動螺旋槳，以對抗風的擾動。由于飛艇所處的環境比較復雜，擾動隨機且大小不定，因此，要求控制系統實時做出檢測，以調整螺旋槳的轉速及偏航角等來控制飛艇的平衡。所以，飛艇的動力控制要求解決高空環境下航空發動機及能量裝置的控制算法等問題。

（2）壓力控制

壓力控制一般通過對飛艇內部的空氣囊充放氣來實現。在飛艇上升期間，外部壓力低，為避免飛艇外形過度膨脹引起爆裂，需通過差壓閥門放氣以保持內外壓平衡。飛艇下降過程，隨著高度降低，外部壓力增加，飛艇內部趨向負壓，則需打開鼓風機充氣，維持壓差。在定點期間，由于晝夜溫差的變化，也會使飛艇內部壓力改變，從而影響飛艇的外形，以至影響飛艇的平衡，因此也需通過壓力控制來維持內外壓。

（3）姿態控制

飛艇的轉彎和爬升通常利用姿態控制實現，包括俯仰姿態控制和偏航姿態控制。飛艇在升空和回收過程中，要充分考慮各種姿態控制方法，在經過對流層時才能安全、平穩。

（4）定點控制

指駐空過程中，平流層飛艇能在指定的范圍內保持相對地面靜止。飛艇所處的高空環境很不穩定，經常受風、熱氣流及晝夜溫差變化等各種擾動而偏離原來位置。因此，必須實施相應的控制策略，使飛艇在各種情況下都能自動回到原來位置并保持相對靜止。

（5）溫度控制

平流層晝夜溫差大，引起大氣壓較大的變化。分析表明，由于太陽能電池吸收效率低，與太陽能電池接觸的一面溫度起伏范圍在 70～100℃ 與-70～-100℃間，溫差造成艇體內部氣體溫度和壓力變化，繼而影響到飛艇的外形和浮力，造成飛艇的高度漂移、姿態變化和抗風能量下降等。另外，一些機載設備對工作環境溫度變化范圍也有一定的要求，所以，溫度控制也是一項關鍵技術。

4 結束語

通過對飛艇平臺關鍵技術的分析，可為下一步的控制目標、動力學建模、控制策略等研究打好基礎。依目前研究情況，飛艇平臺的理論體系與分析方法還不完善，如何更好實現工程應用，還需大量的研究工作有待進一步開展。

參考文獻

[1]王先國，競爭向平流層擴展[N]解放軍報，2017-06-01（12）

[2]歐陽晉，平流層平臺的發展及其自主控制關鍵技術[J]工業儀表與自動化裝置，2017.1

[3]王海峰，高空飛艇定點控制關鍵技術及解決途徑[J]飛行力學，2019，（12）：5-8

作者簡介：

袁濤（1987.02—），高級工，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究。