摘 要：飛艇是具有推進(jìn)裝置的浮空器，由艇體、尾翼、吊艙和推進(jìn)裝置等部分組成。推進(jìn)裝置包括發(fā)動機(jī)、減速器和螺旋槳，為飛艇提供前進(jìn)動力。其關(guān)鍵技術(shù)涉及材料、結(jié)構(gòu)、能源、控制技術(shù)等方面。控制技術(shù)包括動力控制、壓力控制、姿態(tài)控制、定點控制、溫度控制等。

關(guān)鍵詞：平流層;飛艇;關(guān)鍵技術(shù)

1 飛艇平臺概述

飛艇是具有推進(jìn)裝置的浮空器，由艇體、尾翼、吊艙和推進(jìn)裝置等組成。推進(jìn)裝置包括發(fā)動機(jī)、減速器和螺旋槳，為飛艇提供前進(jìn)動力?？刂骑w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(fā)動機(jī)尾氣中的水分補(bǔ)充壓艙物;經(jīng)排氣門放掉一些氣體或用儲氣罐補(bǔ)充氣體;操縱螺旋槳轉(zhuǎn)向，改變推力矢量方向產(chǎn)生垂直方向的升力等。

2 平流層飛艇平臺發(fā)展現(xiàn)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(shù)進(jìn)行平流層平臺的研制。Lockheed Martin 公司的核心工作是開發(fā)宇航、航空技術(shù)裝置及進(jìn)行系統(tǒng)綜合，該公司與其他公司于 1998 年開始進(jìn)行可行性研究，完成后，進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計、控制及熱解析等多項關(guān)鍵技術(shù)方面走在世界前列。進(jìn)入新世紀(jì)，日本實施了“千年計劃”，即從2000年開始，在系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)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(guān)鍵技術(shù)

3.1 材料技術(shù)

飛艇所處環(huán)境要求艇體的材料與一般飛行器不同，飛艇艇體結(jié)構(gòu)所使用的輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料，必須具備：輕質(zhì)且高強(qiáng)度，抗老化，抗紫外線;對氦氣密封性好;能適應(yīng)平流層大氣環(huán)境。在高海拔，由于浮力小，若要使機(jī)體規(guī)模小，則需輕質(zhì)高強(qiáng)度膜材，浮力小和機(jī)體規(guī)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(fā)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(jìn)。構(gòu)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(hù)材料。基布是保持飛艇內(nèi)壓，確保強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，飛艇結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，通過氦氣囊和外蒙皮間的空間，在氦氣囊的外部設(shè)有一定壓力的空氣層，以減少氦氣的慢性泄漏。采用設(shè)置多個氦氣囊方式，可防止在局部發(fā)生氦氣泄漏時發(fā)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(tǒng)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(shù)

平流層能否長年累月地提供連續(xù)電能是關(guān)鍵。目前，采用的能源技術(shù)有兩類：① 太陽能電池結(jié)合蓄電池提供能量，該電池通過光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能。白天把光能轉(zhuǎn)化為電能，并在提供連續(xù)電能的同時，對蓄電池進(jìn)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(xué)電池，有兩個系統(tǒng)：① 燃料電池，含氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能和其副產(chǎn)品—水;② 電解，利用外部能量發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使燃料電池產(chǎn)生的水再次轉(zhuǎn)變?yōu)闅浜脱酢?RFC 技術(shù)，美國聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）處于世界領(lǐng)先地位。

3.4 控制技術(shù)

（1）動力控制

平流層飛艇要實現(xiàn)長期定點，需利用發(fā)動機(jī)作為動力裝置帶動螺旋槳，以對抗風(fēng)的擾動。由于飛艇所處的環(huán)境比較復(fù)雜，擾動隨機(jī)且大小不定，因此，要求控制系統(tǒng)實時做出檢測，以調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)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(huán)境下航空發(fā)動機(jī)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(nèi)部的空氣囊充放氣來實現(xiàn)。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(nèi)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(nèi)部趨向負(fù)壓，則需打開鼓風(fēng)機(jī)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(nèi)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(nèi)外壓。

（3）姿態(tài)控制

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

（4）定點控制

指駐空過程中，平流層飛艇能在指定的范圍內(nèi)保持相對地面靜止。飛艇所處的高空環(huán)境很不穩(wěn)定，經(jīng)常受風(fēng)、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(yīng)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(nèi)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(tài)變化和抗風(fēng)能量下降等。另外，一些機(jī)載設(shè)備對工作環(huán)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(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)束語

通過對飛艇平臺關(guān)鍵技術(shù)的分析，可為下一步的控制目標(biāo)、動力學(xué)建模、控制策略等研究打好基礎(chǔ)。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(xiàn)工程應(yīng)用，還需大量的研究工作有待進(jìn)一步開展。

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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。