《环球飞行》2012年12期 【科技前沿动态】

 

谁将是临近空间的拓荒者

——浅谈变体空天飞艇

本刊记者 沈英甲

        飞艇是人类最早的实用航空器，作为一种基于静升力的可操纵飞行器，飞艇有着动升力飞行器所不具备的独特优点。人类研制运行高度指向临近空间的平流层飞艇已有近50年的历史，临近空间目前的共识是指对地高度在20余千米以上、100千米以下的空域范围。各国竞相研制平流层飞艇的目的是显而易见的：谁率先拥有能在平流层长期定点驻空或巡航飞行的战略平台，谁就开创了人类在临近空间活动的新纪元，空天一体化愿景也就有了实现的可能。平流层飞艇无疑具有极其重大的政治和军事意义，以及潜在的巨大商业利益。从常理来看，借助如今人类所掌握的航空航天技术和工业能力，制造现代飞艇的难度应当远低于100多年前飞艇垄断天空的那个时代。然而，尽管近半个世纪以来人们先后提出了许多平流层飞艇方案，也着手开展过无数的相关实验，但时至今日，人类仍然无法创造出有实用价值的平流层飞艇。原因何在？本文简述一位中国科学家创造的变体空天飞艇，并列出几类有代表性的各国平流层飞艇方案，以资比较以飨读者。

 中国创造的变体空天飞艇

        人类致力于平流层飞艇探索研究，大约是从上世纪70年代初期开始的。人们对平流层飞艇的期望其实并不高：能够在地面、对流层到20千米以上的平流层高度范围实施有效操纵升降、定点悬浮或巡航飞行；能携带一定重量的载荷在平流层长航时执行任务；能够有效操纵返回到地面指定位置，这就算达到平流层飞艇的目的了。这样的期望，当然就使人们不约而同地联想起现有的软式飞艇：既然早期的飞艇都能轻而易举往返地面至数千米的高空，那么只需把他们的体积加大到足以对付平流层稀薄空气的程度，研发出高阻气和具备高抗压能力的新型囊体材料，再配以先进的动力、控制与工程方法和工艺技术，平流层飞艇应当不难实现。然而，当人们将设想付诸行动之后才发现，问题并非那么简单。

       时光飞逝，转眼就到了1992年，从这个时期开始，各国平流层飞艇研究热潮相继降温。曾经引起人们广泛关注的各国平流层飞艇项目，大多中途而废了。原因在于当人们满怀激情和信心并付出20多年的努力之后，却发现平流层飞艇仍然只是愿景而遥不可及。悲观失望的情绪笼罩在人们心头，各种怀疑、责难也在业界弥漫开来。

      1992年夏季，时为北京航空航天大学飞机设计与应用力学专业博士研究生的李晓阳，前往日本横滨一家飞艇公司作短期研修，这是当时整个亚洲唯一拥有大型齐伯林飞艇的机构，用飞艇来做空中广告和载客观光。李晓阳认为，人类在平流层飞艇领域迟迟不能如愿，不应简单归结为现有航空航天科技水平和工业能力不足，问题可能出在某个被忽略了的关键点上。他此行的目的，就是要零距离接触当时最先进的现代软式飞艇，以期能找到平流层飞艇研制裹足不前的原因。

     此后的几年中，李晓阳还实地考察了多个国家的平流层实验样艇。他倒不是想学别人怎么做，而是要研究为什么大家都做不成，这当中究竟隐藏着什么尚不为人知的奥秘。

      从平流层飞艇的各种方案中，李晓阳找到了它们的共同点。这些看似有别、各有特色的平流层飞艇，它们调节囊体压力的基本方法，却都采用了140年前法国人查理和罗伯特兄弟的发明，简单说来就是软式飞艇普遍采用的主囊+副囊结构。借助动升力上升时，利用主囊的承压能力来防止内压扩张，同时“挤”出副囊中的空气；向副囊鼓入空气以重新获得下沉力时，亦需利用主囊的承压能力来束缚囊中增大的内压，防止囊体爆裂和维持囊体形状。由此可见，软式飞艇在垂直方向运动的高度范围，受制于“主囊容积”和“囊体承压能力”这两个主要条件。李晓阳发现，正是这两个无法平衡的矛盾，阻碍了平流层飞艇的发展进程。

       软式平流层飞艇的主囊容积相对不变，要使之能够浮升到平流层高度，飞艇除了要有巨大的体积外，还要求升空前飞艇主囊中的轻质气体量与副囊空气量达到一定的比值，否则飞艇因不能获得净静升力而升不起来。而轻质气体量多了则副囊中的空气量必须相应减少，这又使得其理论压力高度（升限）降低。这种结构性的矛盾，成为软式平流层飞艇无法突破的技术瓶颈。

       可以设想：假如采用现有软式飞艇原理和构造来制造一艘飞艇，并且已经有能力把艇体容积做得足够大，飞艇能轻易越过气流多变的对流层和风速较大的激流层，上升到数十千米高的平流层去展开作业。同时，人们也有足够的技术条件来应对飞艇在平流层环境中面临的种种复杂问题。那么在完成任务后，有什么办法能把这艘巨大飞艇可靠地操纵下降返航，准确回到基地或者其他指定的着陆场站，而不是无能为力地任其随着经、纬向气流，不受控地飘降到某个无法准确预测的着陆点？

      “在释放出主囊体中部分轻质气体的同时向副囊鼓入空气”，或者干脆“利用主囊体的承压余度向副囊鼓入空气”，这样使飞艇获得初始下沉力的方案似乎可行。然而深入研究下去就会发现，即使不考虑是否有能力制造承压能力极强的软式飞艇囊体材料，也不考虑加强材料后所增加的囊体重量，在飞艇获得初始下沉力后的下降过程中，如何有效解决飞艇囊体所承受的、不断增大的压力问题，则是一定不能回避的。因为软式飞艇的囊体需要始终保持其外形，否则就会丧失可操纵性。飞艇从数十千米的平流层返回到地面，大气压强增大了数十倍，飞艇从开始下降就需要持续对抗大气压强，对抗力还得不断增大才行。换言之，根据能量转换和守恒定律，飞艇从数十千米的平流层下降回到地面，大气压力对飞艇做了多少功，飞艇就必须对抗大气压强付出相同的功，才能维持其囊体外形以保持可操纵性。

       理论上，能携带任务载荷在数十千米高度长航时作业的实用软式平流层飞艇，其体积至少也得有数万立方米。因此，当它从数十千米的平流层下降返航时，需要把近百万立方米密度逐渐由小到大的空气，先是鼓入进而压缩到其数万立方米的艇囊中，如此才有可能以对等的内压来持续对抗囊外大气压强，以免飞艇囊体变形而失去可操纵性。在人类现有技术条件下，任何基于阿基米德浮力定律的浮空器，显然都无法承担功耗如此巨大的作功系统。

       人们还记得那个著名的“马德堡半球”实验。据史册记载，1654年5月8日，在神圣罗马帝国时期的雷根斯堡，奥托•冯•居里克向罗马皇帝斐迪南三世演示了大气压强巨大威力的半球实验。他先将两个沉重的铜制半球小心翼翼地对接在一起，不用任何粘合剂的辅助将它们密合成一个圆球，并用自制的真空泵将球内的空气抽掉。随后，奥托•冯•居里克驱使两队各15匹壮马，从两侧以相反的方向试图拉开这两个半球。然而无论这些马匹如何竭尽全力，始终都无法将这两个半球拉开，两个半球最终还得通过解除真空状态才得以分离。此后几年中，居里克还多次在马德堡等地重复演示了该项实验，结果都相同。

       从这个300多年前的物理学经典实验中李晓阳得到启发：人类对抗大自然的能力终有限度，深入了解并适应而非总是试图对抗大自然规律，是人类掌握和利用大自然的不二法则。此外，过多依赖和迷信数理逻辑计算也可能会误入歧途，因为许多在数学计算上能够成立的技术理论，在物理事实中却是违反自然规律而不可行的，这样的事例并不鲜见。

       过往各类平流层飞艇方案难以化解或绕开的结构矛盾，大多是因为需要对抗但又无法对抗大气压力而引发。因此， 李晓阳认为在现阶段科技能力条件下，巧妙利用而不是对抗大气压力，才是能否真正实现平流层飞艇的关键所在。

       通过大量的基础理论研究和相关技术实验，一种全新的平流层飞艇创造思路在李晓阳的脑海中形成了。2000年，李晓阳提出了变体式空天飞艇的创新科学理论及其实现技术； 2005年，中国专利局和美国专利局先后授予李晓阳变体式空天飞艇(Transformable Airship)发明专利权。

       变体飞艇从根本上改变了人类现有各类飞艇的设计思想和工程方法，其原理简单说来就是：通过在现有科技条件下可行的技术方法，使飞艇能够实现自适或可控的数十倍容积变化，改变其静升力而改变其在垂直向的运动；变体过程中能保持可操纵性和动升力，从而实现从地面到临近空间的三维全向可控飞行或定点悬浮，并能操纵返回地面指定点，以便维修养护和重复使用。变体式空天飞艇可分为径向变体（图1）和纵向变体（图2）两大类型，分别针对不同的应用目的和应用范围。变体式空天飞艇科学理论、技术方法和研制进展等，一些公开文献已有相关记载，本文不再赘述。

图1  一种径向变体空天飞艇示例

  

图2  一种纵向变体空天飞艇示例

 

       变体空天飞艇巧妙地利用了大气压强这个取之不尽的能源，在对流层和临近空间都能轻松升降、在各高度定点悬浮驻空和巡航飞行，并能有效操纵返回地面指定位置。笔者曾就“平流层飞艇为什么一定要能有效操纵返回地面指定位置”这个问题，咨询李晓阳博士，李博士这样回答了我的疑问：平流层飞艇的整个运行过程都必须能够有效和可靠地进行操纵，包括途经对流层往返平流层，和在平流层长时间定点悬浮或按预设航线巡航飞行作业，并能根据需要随时操纵返回基地，缺乏这些最基本条件的“平流层飞艇”也就缺乏实用意义。

       此外，任何一种航空航天器都有其安全使用周期和寿命，不仅需要定期或不定期返回地面维修养护，寿命结束后也必须返回地面销毁。发展航空航天技术的目的，主要还是为居住在地球上的人类服务，但我们不能仅仅考虑如何发展和应用航空航天技术而不重视其中的隐患。例如，自苏联发射人类第一颗人造卫星“斯普特尼克”1号以来，世界各国先后向太空发射了大约4000多颗卫星，当中许多卫星如今已经成为了太空垃圾，是悬在人类头上的“达摩克利斯之剑”。虽然这些太空垃圾中的大部分都在掉回地面的过程中燃烧殆尽，或掉入没有人烟的大海，但由于这些太空垃圾坠回地面的过程是不可控的，因此完全有可能给人类带来难以预测的灾难。面对太空垃圾这一严峻问题，人类至今仍然束手无策。所以，我们在发展新技术的同时应当高度重视前车之鉴，不要又给自己埋下灾难伏笔。

有代表性的各类平流层飞艇

      1、美国HALE-D平流层飞艇  2011年7月27日，美国军方和洛克希德•马丁公司在俄亥俄州实施了HALE-D平流层验证艇（图3）的首航试飞，这是处于平流层飞艇研究领域世界领先地位的美国所进行的最新实验。HALE-D平流层验证艇采用典型的软式飞艇原理，其设计技术指标是：直径约21米，体积约1.8万立方米，携带约22千克的摄像机和通信转发器，可到达18-21千米的平流层高度并停留10-14天。

      这艘耗资巨大的平流层验证艇试飞结果是：当HALE-D平流层验证艇升高到约9.7千米的高度时，它的囊体就超过了承压极限而破裂，于是飞艇失浮下沉。由于其仅有10KW功率的小电动螺旋桨难以驱动体积庞大、因失压而变形的艇体，故该艇连飘带降随风位移了100多公里后坠落到宾夕法尼亚州的森林里，未能达到预期的试验目标。

      HALE-D验证艇1.8万立方米的体积显然很巨大了，但它仍只是美国“HAA高空飞艇”项目的缩比小艇而已。事实上，HAA高空飞艇项目在几年前就已经被终止了，终止原因是专家和用户们有足够的理由怀疑“该飞艇是否实用？”和“平流层飞艇的关键技术能否突破？”。

 

图3  美国HALE-D平流层飞艇

 

 

       2、日本“同温层平台”平流层飞艇  日本宇宙开发事业团等机构投入巨资联合开发的“同温层平台”平流层飞艇（图4），2003年8月实施了一次检验升空高度极限的试验。该飞艇的设计技术指标是：艇长约47米，直径约12 米，体积3566立方米，起飞重量约500 千克，设计升限16千米。

     “同温层平台”平流层飞艇采用类似施放高空气球的方法，利用净静浮力自由飘浮升空。据报该艇上升30分钟后曾到达16.4千米高空， 其囊体在此高度因超过了承压极限而破裂。和高空气球伞降回收的情形一样，该艇自由坠落下沉的过程是不可控的， 随风飘降到海滨小城日立市附近海域低空，伞降到海面打捞回收。

      从实验表现和结果来看，日本“同温层平台”平流层飞艇实质上仍只是一种外观呈飞艇状的高空气球，没有动力而不可操纵，只能随风飘荡，更不能操纵下降返回地面指定位置。因此，该浮空器显然与人们愿景中的平流层飞艇相去太远。

 

 

图4  日本“同温层平台”平流层飞艇

 

 

      3、螺旋桨动力平流层双气球飞艇  2011年10月，美国JP航宇公司在内华达州施放了一个悬挂着电动螺旋桨的气球组（图5），这个名为坦德姆(Tandem)的双气球飞艇能够浮升到约3万米的高空。

      坦德姆双气球飞艇构造是将两个普通高空气球分别固定在碳纤吊架的两端，利用两个安装在碳纤吊架上的电动机驱动螺旋桨，在无风或微风的环境中，螺旋桨可以带动两个气球沿水平向缓慢位移或左右旋转。当双气球飞艇浮升到其气球承压能力极限的高度时，一个气球自行爆炸泄气，另一个气球则人工遥控放气。地面人员借助艇上的5个降落伞，把双气球飞艇的仪器设备伞降回到地面。然后，根据仪器设备接地后信标发出的位置信号，将它们寻回。

      高空气球是轻于空气浮空器的一种，它们一般都能浮升到数万米以上的临近空间中下层。气球与飞艇的区别，主要在于飞艇可以操纵而气球难于操纵。这是因为虽然气球、飞艇两者的体积都较为庞大，但飞艇艇囊流线形的减阻设计使它的迎风阻力显著降低，而且飞艇艇囊还具备一定的动升力，这就使得飞艇能够借助驱动装置实施飞行控制。相比之下，球形物体的阻力系数相对很大，而球体微小的动升力也几乎可以忽略不计。因此，即使给气球配上驱动装置，其效率也会很低，在风速较大或流速多变的环境中几乎无法操纵。

 

 

图5  螺旋桨动力平流层双气球飞艇

 

        4、升浮一体混合飞艇  100多年前，人们就提出过各种利用机翼来增加飞艇升力的“升浮一体混合飞艇”方案，例如建于1903年的Santos-Dumont飞艇，就是采用了这种结构。这类结构的飞艇（图6）重于空气，理论上，其所配置的机翼或其他升力装置能够帮助飞艇获得额外的升力，因此可以看作是飞机和飞艇的结合体。

       历史上诸多类似实验表明，升浮一体混合飞艇工作效率很低，集中了飞艇和飞机的缺点而损失了两者的优点，因为：重于空气的升浮一体混合飞艇必须依靠于引擎的动力才能保持在空中的升力，起飞和降落都需要相对较快的速度。由于飞艇的功耗与其相对空气速度的三次方成正比，高速飞行正是飞艇的弱项；飞机的升力则与速度的平方成正比，低速飞行时机翼将不能提供足够的升力。简单说来就是飞艇要慢而飞机要快，才能发挥各自的长处，升浮一体混合飞艇显然无法解决这个致命的矛盾。

       充满大量气体的艇体不能像飞机那样方便和易于操作，升浮一体混合飞艇也不可能像飞机那样在跑道上高速滑行起飞。此外，如何解决柔弱的艇体在高速着陆时需应对的巨大撞击力问题也不容易，对付着陆撞击力的坚固结构给飞艇带来的重量，是飞艇无法承受的。

       升浮一体混合飞艇的机翼不能做得很大，故其产生的升力会比较集中，因此升浮一体混合飞艇必须具备更强的结构来支撑这个力。由此而增加的构架、燃料、发动机及相关操作装置等的重量，将会超过由机翼产生的升力。

       显而易见，升浮一体混合飞艇方案并不适用于平流层飞艇。

 

 

图6  升浮一体混合飞艇

 

       5、变轴长可折叠飞艇  2006年10月27日，美国一个民间航空爱好者团体首次试飞了他们创造的“变轴长可折叠飞艇”（图7），该飞艇有两个特征：一是采用了雨伞状可折叠的艇囊结构，二是利用“给定表面积的几何体中，球形容积最大”这一数学原理，通过拉长或缩短艇囊的“变轴长”方法来改变艇囊容积，以期能够增加或减少飞艇浮力，使它上升到平流层的高度。

       该艇是热气飞艇，艇载液化石油气燃烧产生的热气从艇体下部的开口进入艇囊，加热囊内空气，使囊内空气密度低于艇囊外部空气而获得浮力升空，基本原理与人们常见的热气球类似。该飞艇长31米，最大直径21米，最大重量1860千克，巡航速度16千米/小时，汽油发动机驱动螺旋桨推进，巡航时的艇囊容积为5805立方米。不飞行时，其艇囊可以折小到42立方米。

       该飞艇艇囊结构由三部分构成：织物蒙皮；镶入织物里的柔性骨肋；贯穿艇体中心轴的张力线。艇囊的关键技巧是一个典型的“张拉结构”，在艇囊里的骨肋处于压缩下，织物蒙皮和张力线处于相反的张力下。张力结构的原理广泛应用了一个多世纪，最普遍的例子就是人们日常生活中所用的折叠伞。

      将表面积一定的球体拉长或缩短，其容积最多只能有约2.5倍的变化，而地面与数万米高度的平流层却有数十倍的空气密度差，因此将该艇折叠伞式的“张拉结构”用于平流层飞艇并没有明显增益，其“变轴长”的折叠结构给飞艇增加的重量，将会抵消热气飞艇容积增大所获得的浮力。

 

图7  变轴长可折叠飞艇

 

       6、可折叠/展开平流层飞艇   可折叠/展开平流层飞艇方案由美国约翰•霍普金斯大学提出，称为HARVe飞艇（图8）。HARVe飞艇的研究目标，是探索低成本平流层飞艇的科学理论和技术方法。该飞艇要求能够折叠放入巡航导弹中，巡航导弹则由潜艇承载并从海下发射升上18.3-30.5千米高度的平流层。到预定高度后，导弹解体释放出HARVe飞艇执行预定任务。

       该飞艇的研究团队认为HARVe具有极大的潜在军事应用价值，是保卫国土安全和满足国土全地域无缝隙侦察的理想平台。方案中的HARVe飞艇是一次性的，不能操纵返回地面故不能重复使用。在平流层巡航约30天后， HARVe飞艇会自行解体或用其他方法将其摧毁。业内认为，如果计入导弹、潜艇承载与发射等的费用，HARVe飞艇的总体运行成本其实并不低。

       2005年7月，约翰•霍普金斯大学的研究团队曾制造了一艘艇长为5.18米的常规软式飞艇模型，来作为HARVe飞艇的实验平台。

 

图8  可折叠/展开平流层飞艇

 

       ● 无论上述这些形形色色的平流层飞艇结局如何，人们开拓临近空间航空新纪元的不懈努力，都是令人钦佩的。平流层飞艇无疑具有如同莱特兄弟发明飞机那样的开创性，在科学理论创新、不同大气环境中运行对系统构造的特殊要求、工程材料综合运用与工艺技术、极端大气环境对飞行器影响的对策与解决方案、飞控方法和操纵技术等诸多方面，都面临着巨大的困难和挑战。如果平流层飞艇能够实现，将是人类科技探索前所未有的重大突破。

      谁将是临近空间的拓荒者？我们不妨拭目以待。