浮空器的結構組成與發展現狀

張永剛

（廣州民航職業技術學院，廣東 廣州 510403）

引言

浮空器是一種利用輕于空氣的氣體（氫氣、氦氣或熱空氣），依靠大氣浮力升空的航空器。根據工作原理的不同，浮空器可分為飛艇和氣球兩大類。

圖1 浮空器分類框圖

其中，對流層飛艇和系留氣球是應用較為廣泛的浮空器類型。飛艇相比于氣球的主要差異是增加了一套動力裝置，可以按照控制要求進行飛行。浮空器具有成本低、覆蓋面積大、駐空時間長、能耗小、載荷能力大、噪聲低等突出優勢，在應急救援、通信中繼、空中監測、地理測繪等多個軍民領域得到廣泛應用。

1 典型浮空器的結構組成

1.1 飛艇的結構組成

飛艇又稱作可操縱氣球，是一種裝有動力裝置、安定面和操縱面的流線型氣球，可自行控制飛行方向。從結構角度劃分，飛艇可分為三種類型：硬式飛艇、半硬式飛艇和軟式飛艇[1]。

圖2 飛艇結構外形圖

硬式飛艇是由其內部骨架（金屬或木質材料）保持形狀，外表覆蓋著蒙皮。骨架內部則裝有許多為飛艇提供升力的充滿氣體的獨立氣囊，若其中一個小氣囊受損，整個飛艇的浮力不會完全喪失。硬式飛艇通常體積較大，可以攜帶較多的人員或貨物。

軟式飛艇通常由充滿氫氣（或氦氣）的氣囊組成，氣囊內部有兩個副氣囊，設置在一前一后，有利于控制飛艇的高度和俯仰姿態。氣囊內壓力通常比外界環境高約400Pa 左右，用來維持整個飛艇的氣動外形。尾部設有尾翼用以控制飛艇的姿態。

半硬式飛艇是利用氣囊中的氣體壓力保持其形狀，飛艇下部由縱向龍骨連接到上部的壓力氣囊結構上，可以看作是在軟式飛艇基礎上增加了提升強度的龍骨結構。

1.2 系留氣球系統的組成

如圖3 所示，系留氣球系統由空中部分（包括囊體結構、工作載荷）、地面部分（包括收放線器、充氣裝置、錨泊裝置、地面電源）及中間連接部分（包括系留纜繩、數據傳輸纜）三大部分組成。

圖3 系留氣球系統組成示意圖

目前，較為先進的系留氣球除了球形囊體之外，還增加了升力翼及立面，如圖4 所示。升力翼為三角形狀，可借助風力給囊體貢獻額外升力，風力越大，產生的升力越大；立面使得浮翼始終保持迎風方向，便于升力翼發揮功能。

圖4 囊體結構示意圖

目前飛艇或系留氣球都使用安全性更好的氦氣，氦氣是惰性氣體，不會像氫氣那樣易燃易爆，并且可以回收循環使用，具備了綠色環保的優點。

囊體大多采用復合材料，由特殊的高分子復合材料做成，包含承力織物層、耐候層、阻氣層、粘接層等，該復合材料不僅質量輕，而且強度高，不易變形，并且有很好的柔韌性和氣密性[2]。

2 國內外浮空器的發展情況

2.1 國內浮空器的發展

國內浮空器的研究已有四十余年的歷史，最早開展浮空器研究的單位是中科院大氣物理研究所。目前已有眾多高校、研究所及企業開展了浮空器產品的研制工作，浮空器產業已初具規模。

國內從事浮空器研制的高校包括南京航空航天大學、北京航空航天大學、上海交通大學等；研究所包括中電三十八所、中航工業特飛所、航天五院、航天068 基地等；企業包括北京華航、上海達天、蘇州方舟等。

中航工業特種飛行器研究所在浮空器研究領域起步較早，于1985年研制出我國第一艘無線電遙控飛艇。2004年成功研制出我國第一個具有自主知識產權的升空高度達1000 米的系留氣球平臺。近期中航工業特飛所研制了FKC-2 超視距遙控飛艇，該飛艇升空高度1500米，最大平飛速度72 千米/小時，最大載荷50 公斤。現已覆蓋了無線遙控飛艇、充氦載人飛艇、系留氣球等全系列產品。

中國電子科技集團公司第三十八研究所下設有中國電科浮空平臺研發中心，先后研發出了包括國內第一個定型浮空器產品在內的系列產品，填補了國內相關領域的空白，部分產品還在北京奧運會、上海世博會和廣州亞運會期間出色完成重點安保任務，得到各組委會的肯定。北京華航研制的軟式載人充氦飛艇，飛艇長度達38 米，氣囊容積近2000 立方米，最大飛行速度65 千米/小時，最大續航時間8 小時。成都神舟研制的開拓者3 號飛艇，飛行高度達2500 米，飛行速度達75 千米/小時，有效載荷35 公斤，飛行控制距離可達30 公里以上。上海達天研制的CA-80 型飛艇，艇長42 米，氣囊容積達2500 立方米，載客量4 人，最大載重652 公斤，飛行速度66 千米/小時，最大續航時間10 小時。

北京航空航天大學、上海交通大學等高校主要從事平流層飛艇基礎理論和有關配套設施的研究。近期圓滿完成某型新概念浮空器臨近空間的往返飛行，并且飛行器全程處于受控狀態，在國內首次實現安全回收且設備完好。此次飛行高度達2 萬米左右，基本抵達臨近空間的底部，也就是大氣層的平流層。平流層浮空器的留空能力可以達到數日，甚至數周、數月。在完美往返臨近空間的試驗之后，研發團隊將進一步延長浮空器的這種空中駐留能力。

近年來，我國在浮空器領域的設計、氣動仿真、升降與飛行控制、數據傳輸及材料工藝等方面都取得了較大提升，浮空器產業日益蓬勃。

2.2 國外浮空器的發展

近年來，已有多個國家正在大力開展各類浮空器產品的研究與開發。

飛艇方面，美國已將平流層飛艇列入無人飛行器系統的范疇，作為美國聯合作戰的重要組成部分。低空飛艇有洛克希德-馬丁公司的混合型低空飛艇，波音公司與加拿大skyhook 公司聯合研制的混合半硬式充氦氣飛艇，俄亥俄飛艇公司研制的重型混合式運輸飛艇PSC-1，諾斯羅普-格魯曼公司的長航時飛艇和MAV6 公司的“藍魔”飛艇等。約翰斯·霍普金斯大學開發了高空飛艇稱之為HARVE 驗證飛艇。俄羅斯有多家單位正在開展各系列飛艇的研制，包括多爾戈普德魯內公司的“多用途高空飛艇平臺”，阿夫古里公司的“金雕”系列飛艇等。此外，英國先進技術集團公司研制有“天貓1000”巨型飛艇，澳大利亞Skylifter 公司研制有新型載人飛艇，德國Cargomier公司研制有CL-160 巨型飛艇等。

系留氣球方面，美國是研制系留氣球最多的國家，固定式系留氣球成功應用于系留氣球雷達監視網（TRAS）和系留艇載預警系統（JLENS）[3]。俄羅斯的系留氣球技術水平也較高，主要系留氣球產品有“美洲獅”和“美洲豹”系列，其中“美洲獅”系留氣球用以完成空中監視等任務，其工作高度達5 千米，滯空時間25 天，有效載荷2000 公斤；“美洲豹”系留氣球工作高度4 千米，滯空時間30 天，有效載荷1700 公斤。另外，澳大利亞ALLSOPP HELIKITES 公司研制有FIREFLY 系留氣球系列產品。

3 浮空器相關標準簡介

目前，國內浮空器標準只有中國民航局航空器適航司頒布的AC-21-08《載人自由氣球適航標準》和AC-21-09《飛艇適航標準》。浮空器的設計、制造等環節尚無統一的行業或國家標準，這也在一定程度上制約了產業發展。

中電三十八所、中航工業特飛所等單位陸續編制了各自的企業標準，但是不夠系統，不夠完善，影響了各單位之間的技術交流，也影響了浮空器產品的互換性和安全性。

國外浮空器標準也相對較少，主要包括英國民航適航性要求《Q 部軟式飛艇》，另一個是美國運輸部聯邦航空局頒布的《飛艇設計規范》（FAA-P-8110-2）。

4 結束語

隨著浮空器產業的日益發展，越來越多的科研院所、企業進入了這個領域，競爭日趨激烈。未來十年將是產業發展的關鍵期，一方面國家層面應該制定統一標準，這樣產品的設計和制造才會有章可循。另一方面，各個研制單位應該積極學習國外先進的技術經驗，取長補短，進一步加大投入，使浮空器產業取得更大的成就。