平流層飛艇總體設計的基礎問題

于春銳 喬 凱 劉東旭

1(北京跟蹤與通信技術研究所 北京 100094)

2(北京航空航天大學無人系統研究院 北京 100191)

0 引言

平流層飛艇是指利用距地面20 km 高度附近大氣穩定、風速較小的有利條件，依靠浮力升空，采用太陽能電池與儲能電池組成循環能源系統，驅動動力推進系統抗風，實現區域長期穩定駐留及可控飛行的低速臨近空間飛行器。平流層飛艇具有駐空高度高、駐空時間長、承載能力大、使用效費比高等特點，在對地觀測、通信中繼等領域具有廣闊應用前景[1–2]。

長期駐空是平流層飛艇發揮其獨特優勢、實現應用效能最大化的關鍵，同時也是平流層飛艇研制的核心難點之一。為了實現長期駐空飛行，需要通過多學科優化總體設計解決多項難題[3–7]，使平流層飛艇能夠適應平流層高度復雜的大氣環境和熱環境條件，滿足浮重平衡、能量平衡、推阻平衡、熱平衡等約束條件。

平流層飛艇技術復雜度高、研制難度大，相關研究尚不成熟。需要綜合考慮總體設計面臨的基礎問題，開展針對性技術攻關，支撐系統設計與研制。本文從平流層飛艇的技術特點出發，考慮平流層環境、空氣靜力特征、熱力學三方面基礎問題，分析其對平流層飛艇總體設計、飛行特性及控制性能的影響，為平流層飛艇總體設計和技術發展提供參考。

1 平流層環境基礎問題

1.1 大氣風場

平流層高度大氣風場相對穩定，但在不同高度、季節、地區和時間有著不同的特點。在全球中低緯度區域，20 km 高度的全年大氣平均風速相對較弱，風向相對穩定，這是平流層飛艇運行的基本環境條件[8]。受全球大氣環流影響，各地區風場存在季節性的變化規律[9–12]。中國北方中緯度地區，20 km 高度附近，一般在春末和夏季存在準零風層結構，平均風速低于10 m·s–1；南方低緯度地區，一般在冬季和初春有準零風層結構存在。

根據氣象衛星、探空氣球等獲得的測量數據可知，雖然平流層高度大氣風場相對穩定，但是受低空氣象條件影響，幾天甚至數小時內也會產生較大短時波動。例如，在中國北方中緯度地區，夏季平均風速低于10 m·s–1，但仍有短時較大風速出現。從圖1 給出的某地區20 km 高度定高探空氣球1 h 飛行軌跡也可以看出，風向波動十分明顯。

圖1 某地區20 km 定高探空氣球 1 h 軌跡曲線Fig. 1 One-hour trajectory of a 20 km-fixed-altitude sounding balloon in a certain area

平流層高度大氣風場的特點對平流層飛艇總體設計的影響主要體現在兩方面：一是由于超長駐空時間導致面臨短時苛刻風場條件的幾率增大，為了實現長期區域駐留，平流層飛艇平均抗風能力必須大于當地平均風速，并且有一定裕度；二是由于平流層飛艇設計飛行速度通常與當地平均風速處于同一量級，應對風速、風向擾動的能力較差，對定點駐留、航線控制、姿態控制等也有比較大的影響。

1.2 大氣溫度

距地面20 km 高度附近的平流層大氣溫度比較穩定，但不同季節、不同區域的大氣溫度存在5～10℃的差別。例如，在中國北方中緯度地區，受太陽與地球距離影響，通常夏季溫度低，冬季溫度高，溫度差一般小于5℃。

平流層高度大氣溫度的特點對平流層飛艇總體設計的影響主要體現在兩方面。一是總體設計必須考慮平流層飛艇長期駐空期間在不同區域工作時大氣環境溫度變化的影響，由高溫區向低溫區飛行時，存在夜間壓力降低，無法維持形狀的風險；由低溫區向高溫區飛行時，存在白天壓差增幅過大，導致囊體安全系數降低的問題。二是總體設計必須考慮大氣溫度短時波動對囊體壓差波動的影響，但目前尚無合適的長時定點氣象探測手段，缺乏特定區域大氣溫度的持續探測數據，尚不掌握大氣溫度短時波動規律。

1.3 大氣壓力

距地面20 km 高度附近的平流層大氣壓力通常約為地面的5.4%。受到低空氣象、地形條件以及大氣重力波等因素影響，特定高度的大氣壓力始終存在一定的短時動態變化。目前已掌握特定高度的大氣壓力長時變化規律，但由于大氣壓力短時波動數據不足，尚不清楚大氣壓力短時波動幅度、變化速率等短時變化規律數據，需要通過長時定點飛行試驗不斷積累。此外，平流層飛艇飛行高度一般會同時采用氣壓高度和衛星導航（北斗/GPS）高度表征，由于測量設備機理不同，兩個高度數值會存在一定偏差，例如在中國北方中緯度區域，夏季氣壓高度比衛星導航高度通常低300～500 m，如圖2 所示。

圖2 某探空氣球氣壓高度與衛星導航高度測量值曲線Fig. 2 Measured altitude curves of a sounding balloon by barometric altimeter and satellite navigation system

平流層大氣壓力的特點對平流層飛艇總體設計的影響主要體現在兩方面。一是總體設計必須考慮平流層飛艇從地面起飛到設計飛行高度過程中，中間要經歷巨大的大氣壓力變化，合理設計升降策略。二是總體設計必須考慮氣壓高度與衛星導航高度測量值偏差帶來的影響，合理設計風速測量基準與抗風能力指標、位置測量基準與飛行控制策略等。

2 空氣靜力學基礎問題

2.1 平流層飛艇縱向上升力主要來源于浮力

平流層飛艇駐空飛行過程中受到空氣靜力（浮力）和空氣動力的共同作用[13]，其受力特點與低空飛艇存在顯著區別。低空飛艇可采用矢量動力或混合升力布局設計，實現縱向力配平，但平流層飛艇飛行速度低且駐空高度大氣密度低的特點決定了其縱向力配平只能來源于浮力。

矢量動力是低空飛艇縱向力配平的重要方式，通過控制動力大小和矢量角度，快速改變縱向力大小，調節升重平衡，控制飛行高度。而平流層高度大氣密度低，平流層飛艇可為動力推進系統分配的重量和能量有限，動力推進裝置可提供的動力與浮力相比十分微小，無法用于縱向力配平。

混合升力布局也是部分低空飛艇采用的縱向力配平方式，利用舵面/安定面和艇體帶迎角飛行時產生氣動升力，零迎角飛行時也能產生較大氣動升力。但在平流層高度，舵面/安定面產生的氣動力十分微小，無法用于縱向力配平；依靠艇體迎角產生升力阻力代價和配平代價過高；混合升力布局設計不僅能耗代價過高，同時還引起囊體壓差額外增加的問題，難以實現飛艇浮重平衡、推阻平衡、能量平衡和強度設計的閉環。

縱向上升力全部來源于浮力的特征，決定了平流層飛艇可用的浮重平衡控制措施十分有限，限定了飛艇總體技術方案的選擇，直接影響飛艇總體設計。

2.2 平流層飛艇運行在壓力高度以上

隨著飛行高度增加，飛艇內部氦氣體積不斷增大，氦氣達到最大設計體積的高度為飛艇壓力高度。壓力高度以下，可通過調節副氣囊中空氣量來保持飛艇壓差和外形，壓力高度以上，壓差將無法通過副氣囊調節。

低空飛艇常采用凈重飛行，飛艇浮力略小于飛艇重量，通過矢量動力和氣動升力調節高度，通過副氣囊維持形狀，始終保持300～500 Pa 的內外壓差，始終運行在壓力高度以下，飛艇飛行高度過高、氦氣膨脹到最大設計體積后，壓差會繼續增加，超過設定安全閾值，必須通過釋放氦氣避免囊體破裂。因此，低空飛艇的壓差主要用于維持形狀，不用于高度保持。

平流層飛艇無法采用矢量動力、氣動升力等縱向力調控手段，駐空過程中始終保持浮重平衡，浮力與重力相等。為保持平流層飛艇能夠穩定駐空，須始終保持一定量的盈余氦氣，飛艇在盈余氦氣作用下持續升空，氦氣膨脹到最大體積，超出壓力高度并產生壓差，依靠壓差調控氦氣密度，實現在設計高度穩定。因此，平流層飛艇始終運行在壓力高度以上，飛艇壓差主要用于保持高度，而不僅用于維持外形。

平流層飛艇高于壓力高度運行是平流層飛艇的重要特征之一，對飛艇總體設計存在重要影響：副氣囊對飛艇壓力平衡的調控能力大大降低；必須應對氦氣溫度波動等帶來的超壓難題。

3 熱力學基礎問題

3.1 熱平衡特性

平流層飛艇所處的熱環境復雜，在太陽輻照、地面反照、紅外輻射、自然對流、強迫對流、氦氣膨脹做功的共同作用下達到熱平衡[14–18]。平流層飛艇熱平衡方程與運動學方程的關聯項為飛行速度，飛行速度與對流換熱相關，但由于平流層大氣密度小且平流層飛艇飛行速度不高，對流換熱強度相對較低，因此平流層飛艇熱平衡方程與運動學方程相對獨立，飛艇熱平衡狀態和氣體溫度主要受輻射環境影響。這與常規航空飛行器存在較大差別，熱設計更接近于航天器。

雖然飛行速度引起的對流換熱是相對小項，但飛行速度對溫度的影響是存在的，平流層飛艇飛行速度變化會引起氦氣溫度波動。白天超熱情況下，存在氦氣溫度隨飛行速度增加而降低的現象；如果飛艇夜間工作為弱超熱超壓運行模式，則存在隨飛行速度增加導致溫度壓力降低，甚至引起艇體無法保形的風險。

3.2 氦氣超熱特性

受太陽輻照影響，白天平流層飛艇囊體內氣體溫度高于環境大氣溫度，如果不采取有效措施，晝夜溫差很大，將對囊體耐壓和安全性造成影響。平流層飛艇總體設計必須考慮超熱現象及其影響，特別是充分分析白天超熱量大小、日出后超熱增加速率以及超熱控制措施。

白天超熱量影響因素復雜，受到平流層飛艇所處熱環境、自身散熱能力、充氣/排氣操作等影響。在飛艇長時駐空飛行過程中，地面反照率、云層分布等因素會引起超熱量的較大幅度波動，相關設計的邊界值需要做進一步研究。飛艇囊體材料的光學特性和輻射特性在超熱變化中起到決定因素，囊體材料的可見光和近紅外吸收率決定了艇體吸熱能力，囊體材料的發射率決定了艇體的輻射散熱能力，但囊體材料發射率與溫度相關，通常情況下溫度越低，發射率越小，而艇體表面溫度場隨太陽輻照角度變化，表面溫度分布存在較大梯度，飛艇艇體的發射率也是變化的，與表面溫度場存在耦合，這對準確評估飛艇的散熱能力帶來了較大困難。同時，囊體材料低溫發射率的準確測量尚需要進一步研究。

日出后超熱增加速率對壓力控制、囊體安全、飛行控制律設計都存在影響。由于平流層高度大氣衰減較小，日出后太陽輻照強度迅速增加，艇體受熱后氦氣溫度迅速增加。此外，日出后超熱增加速率受到艇體與太陽相對夾角的直接影響，如果日出后飛艇飛行姿態角變化較大，飛艇超熱將出現較大幅度的波動。采用調整飛艇飛行姿態角的方法，有助于適當控制飛艇超熱增加速率。

研究超熱控制措施，降低囊體超熱和壓差載荷，對飛艇設計和飛行安全具有重要意義。通過表面耐候功能層的設計，降低吸收發射比，是最有效和常用的超熱控制辦法，但是受到囊體材料厚度和面密度限制，囊體材料功能層的改進空間有限。采用遮蔽設計和氣體通道散熱也是一種有效的超熱控制措施，但由于太陽直射角度范圍較大，僅在頂部進行遮蔽設計無法保證非正午時間段的超熱控制，而整體遮蔽重量和能源代價較高。

3.3 艇體表面溫度分布特性

艇體表面溫度場直接影響艇體內部氦氣的自然對流場和溫度場，進而影響飛艇浮心位置。因此，研究不同時刻及不同姿態下的艇體表面溫度場變化情況，對掌握平流層飛艇浮心位置變化規律、確定穩定邊界以及提高飛行控制性能等具有重要意義。

圖3 給出了平流層飛艇艇體表面溫度分布。從圖3 可以看出，白天太陽直射點附近艇體表面溫度最高，背對太陽的艇體表面溫度最低，表面溫度差最大可達60 K；夜晚艇體底部溫度最高，飛艇頂部溫度最低，飛艇頂部溫度最低可達–80 ℃以下。平流層飛艇在駐空飛行過程中，太陽直射點隨姿態角變化，飛艇表面溫度場也隨之變化，囊體材料溫度可能出現快速大幅度波動。飛艇表面溫度差、晝夜溫度差對囊體材料的耐低溫性能、高低溫適應性、溫度交變性能等提出了嚴苛要求，在總體設計與囊體材料測試方面中應充分考慮實際工況。

圖3 平流層飛艇艇體表面溫度分布Fig. 3 Temperature distribution of envelope surface of a stratospheric airship

4 結語

從平流層飛艇自身特點出發，研究了平流層環境、空氣靜力特征、熱力學三個方面的基礎問題，分析了其對平流層飛艇總體設計、飛行特性、控制性能的影響，這為完善平流層飛艇總體設計，探索關鍵技術解決途徑等提供了支撐。