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飞艇做平台 先要停得住【永信贵宾会】
2019-11-27 08:03

多项技术决定飞艇发展

是UFO,还是外星人飞碟? 5月28日,当一架庞然大物出现在宁夏回族自治区中卫市上空时,当地民众对此议论纷纷。 其实,真实的答案是:一架飞艇,是达天飞艇公司牵头组建的“平流层飞艇联盟”联合研发的宽艇体平流层飞艇即载重样艇正在试飞。 “此次试飞的CA-T24R型飞艇是一艘缩比艇,试飞过程中,模拟起降和检验试飞共7个架次2小时,试飞取得成功。”达天飞艇公司总经理许璐告诉《中国科学报》记者,虽然飞行时间只有短短两个小时,却在国内平流层飞艇界引起了不小的震动。 永信贵宾会,抢先占领临近空间 平流层飞艇,顾名思义,就是在平流层中飞行的飞艇。平流层介于对流层和中间层之间,是距地面18~55公里的空域,属于临近空间的范围。 “临近空间是航空和航天之间的空域。”中科院光电研究院气球中心副主任杨燕初在接受《中国科学报》记者采访时说,在航空区域,各种有人飞机与无人机技术已经较为成熟;在航天区域,火箭、卫星、航天飞船也早已经是人们熟知的技术。但临近空间除了高空气球和探空火箭,几乎没有其他成熟的平台可供使用,因此其开发应用价值国内外都非常重视。 而现在,航天与航空空域之间缺少长时间滞留的平台。杨燕初解释说,这种平台功能,传统飞机无法胜任,因为在平流层,传统飞机无法实现区域滞留;而另一种飞行器——高空气球,因其无动力且不受控,故应用场景有限。 在这种情况下,飞艇是目前在平流层最好的选择。“首先,飞艇可以在区域内长期停留,这样可以让飞艇上的载荷相机实现高分辨率的对地观测。其次,当遇到突发性灾害,飞艇还可以作为通信中继平台。此外,平流层飞艇在其他领域也有广阔的应用空间。”杨燕初点出平流层飞艇存在的重要性。 换言之,谁抢先占领临近空间,谁就在未来打开了介于航空和航天之间的区域,掌握了该区域的探索主动权。 “占领”临近空间如此重要,解决横亘在各个研究机构与公司面前的平流层飞艇的技术瓶颈就更为迫切。杨燕初指出,平流层飞艇的研发难点包括三点,即“上得去,停得住,下得来”。“上得去”是指飞艇可以顺利达到平流层高度;“停得住”则是飞艇在平流层保持高度稳定的前提下,完成长时间驻空;顺利返回地面就是“下得来”。 “停得住”仍是难点 经过多年的研究和试验,“上得去”与“下得来”已通过各类技术途径得以初步解决,但是“停得住”仍是难点。至今,在世界范围内,平流层飞艇的连续驻空时间尚未突破24小时。 而影响这一点的因素很复杂。杨燕初解释说,首先,平流层飞艇属于气囊式结构,因昼夜光照强度的变化造成囊体内气体温度的大幅度波动,进而转化为囊体压差的变化,这使得飞艇要采用有效的压力控制措施,一方面尽可能维持飞艇艇体处于正常的压力范围,另一方面也要能够满足压差超限后艇体材料能够承受,这对于飞艇囊体材料也提出了很高的要求。 其次,飞艇能否为自身提供自给自足的能源是第二个难题。“现在飞艇一般都采用太阳能供电,柔性太阳能面板问世后,很多飞艇公司都将柔性太阳能面板直接贴在飞艇表面。”杨燕初表示,柔性太阳能面板的热能转化为电能的效率较低,通常只在10%以下。如此一来,飞艇上就需要铺设大量的薄膜才能保证电量供应。那么,大面积太阳能电池膜如何能与飞艇表面完美地接触,且要实现太阳能电池与储能电池能量的高可靠循环,是制约平流层飞艇发展的第二个难题。 最后就是飞艇处于平流层,其外界环境不同于地面,飞艇要持续运行,需要解决好各类器件,包括囊体材料、安装在囊体上的各类结构件,尤其是风机、阀门以及其他关重件在低温、低气压和特殊的辐照环境下的长时间正常工作问题。 除了上述问题,还有诸多细节上的问题有待考虑,“只有在技术上做到面面俱到,才能切实保证平流层飞艇‘停得住’。”杨燕初说。 “智造”突破困难 此次试飞成功的达天CA-T24R型飞艇外形采用了三囊宽体的设计。许璐介绍说,这样的设计在静浮力基础上增加了气动升力,结合了传统飞艇技术和固定翼、旋翼机和矢量推进等技术,使飞艇的操纵特性和稳定特性得到了一定的提升。 而且,宽艇体上表面宽阔,可铺设更多的太阳能电池,有效接收太阳能辐射,转化更多电能。“其有效面积和时间都大于常规形式和英国Airlander10的飞艇。”许璐表示,“这一设计外形是早在2003年我们与英国飞艇专家达成的共识。”同时,该飞艇的外形及气动设计完全是中国“智造”,多项创新和专利得到验证,是完全属于中国人的自主知识产权。 除了外形的变化,面对平流层飞艇的瓶颈问题,达天飞艇公司也同样提出相应解决方法,并在此次试飞过程中得到验证。 首先,他们最大限度地考虑因平流层氦温差引起体积膨胀时飞艇所能提供的最大冗余空间,并保证在平流层时压差在容许范围之内;而且,在驾驶过程中,工作人员通过改变飞艇的俯仰姿态来达到保持高度的目的,昼间操纵飞艇保持一定俯角飞行,夜间则操纵飞艇保持一定仰角飞行,宽体平流层飞艇和载重艇通过移动式配重、尾翼、全动式前翼等创新性的设计,有效保持正常飞行以克服由于氦温差产生的高度变化和压力变化,达到浮重平衡。 此外,自主研发的电动机让飞艇在不同时段和不同高度面临不同风速时保持推阻平衡。而面对能源问题,许璐也表示,随着科技的进步和储能电池的发展,飞艇所需电能能够得到满足。 目前,试飞成果对结构设计及制造工艺等方面存在的问题进行了很好的验证,取得了丰富的重要数据和宝贵的经验,对后期该公司改进和提高其他飞艇的性能奠定了良好的基础。 任重道远 2小时试飞成功,只是万里长征第一步。 据许璐介绍,达天飞艇公司将在样艇的基础上继续修订设计方案,制造CA-T320S型验证艇,从整体结构上进行验证飞艇的平稳性和升力,并验证创新点移动式配重、全动式前翼、尾翼、发动机等的安装方式和安装位置是否合理。然后,对于能源平衡的验证和对飞艇材料超热超压状况时氦气的浮力变化进行验证。 不仅民营企业正在勇攀平流层飞艇的“高峰”,中科院光电研究院对于平流层飞艇的研究也正在如火如荼地进行。平流层飞艇也在2016年被中科院列入“十三五”60项有望实现跨越发展的重大突破。根据规划,中科院将设计研制长航时、长驻空动力飞行平流层飞艇系统,突破系列核心关键技术,成功实施2万米高度驻留试验验证,在国际上率先掌握在平流层高度具备一定载荷能力的可控飞艇作业平台技术。 “我们努力利用原有技术储备,同时结合新技术的发展趋势,力争在‘十三五’期间掌握核心技术,突破制约平流层飞艇发展中的瓶颈问题。”杨燕初说。记者 袁一雪

此次在南非试飞成功的全太阳能飞艇CA-21R属于试验品,整体长21米,直径4.62米,高6.5米,最大时速32公里/小时。“其太阳能面板使用的是半柔性的,实际使用面积12平方米。设计滞空时间24小时,实际飞行时间4个小时。”许璐介绍道。

因为动力全部来自太阳能电池,所以在遭遇恶劣天气或遇到天黑的情况时,全太阳能飞艇利用储能电池储存的能量工作,“这在短时间是可以保证的,但也要考虑存储电池组容量和重量。太阳能电池的重量与飞艇之间的关系是由飞艇系统的能耗决定的,即太阳能电池的铺设面积必须满足飞艇最大的用电量。”许璐说道。

不过,许璐表示,之前的太阳能飞艇都会和燃油发动机一并混合使用,所以属于混合动力的太阳能飞艇,但是全太阳能飞艇的全部动力则都来自太阳能电池。

如今,全球越来越多的国家在太阳能飞艇的开发研制工作上投入精力,我国也不例外。中国科学院光电研究院也在开展太阳能飞艇的研究工作。在该院巨大的艇库内,一个用以模拟真实飞艇上太阳能电池铺装的试验台已经架设完成,试验台上放置着正在开展试验的各类柔性太阳能电池。中国科学院光电研究院气球中心系统总体室副主任杨燕初博士告诉《中国科学报》记者,柔性太阳能电池柔软程度好,但是转化率偏低,目前一般在10%左右,而普通硬式的太阳能电池板的能量转化率则能达到20%~30%。另外,部分柔性太阳能电池的柔曲度有限,在铺装时如果弯折到一定角度就会损坏。所以,为了节省成本,他们也专门制作了一些模拟太阳能电池板的“假电池板”,用以测试铺装的流程和工艺。为了让试验的仿真度更高,试验架本身还能够进行角度的调节,这样在进行户外试验时,科研人员便可实测出不同太阳照射角对应的与太阳能电池转化率的关系。

如果长时间提供给飞艇动力,就需要大量的太阳能电池提供能量转换,但实际上,飞艇上可以铺设太阳能电池的面积极其有限。“软式飞艇布设太阳能电池只能在飞艇上表层,还必须满足飞艇运行的最大用电量。”许璐表示。

太阳能飞艇

5月27日,一架太阳能飞艇在南非试航成功。这架由中国企业与国外科研机构一起研发的飞艇,动力完全来自其背部安装的太阳能板转化的电能,是飞艇中的“新能源”成员。

在这架全太阳能飞艇之前,不少痴迷于飞艇的研究人员就曾经进行过类似的实验。2011年,加拿大太阳能飞艇公司研制的太阳能动力飞艇拥有奇异的三角形外形,其背部铺满了太阳能电池板。他们对外宣称这种太阳能动力飞艇综合了飞艇的轻快特性和有翼飞行器的优点,不需要任何道路或轨道。所以,它可以在没有着陆点或飞机跑道的偏远地区完成医疗急救、野生生物监测、军事侦察以及运送重型货物的任务。

在动力方面,全太阳能飞艇的能源系统构成相对简单,既有利于对能源的索取和转换,也能让太阳能电池构成的飞艇能源系统保证飞艇在高空长期工作。“随着高度升高,油动机功率都呈下降趋势,全太阳能艇可有效降低该趋势。比如在海拔8000米以上,飞艇常用的不添加增压功能的活塞和涡桨发动机都无法正常工作,但电动机则可以。”许璐表示。而且,因为飞艇采用电机提供动力,维护保障相对简单,省时省力。

在庞大的飞行器家族中,飞艇的存在感并不像飞机那么强,但是研究飞艇的科研人员依然渴望将新能源应用其中。对于主要在平流层“活动”的飞艇来说,太阳能无疑是最好的选择。

量产尚需时日

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