国外近空间飞艇的现状和发展

兵工自动化 武器装备自动化 O. I. Automation2008 年第 27 卷第 2 期 Armament Automation 2008, Vol. 27, No. 2 32文章编号 1006 - 1576（ 2008 ） 02- 0032 - 03 国外近空间飞艇的现状和发展 李利良 1，郭伟民 1，何家芳 2 （ 1. 装备指挥技术学院 试验指挥系，北京 101416 ； 2. 装备指挥技术学院 基础部，北京 101416 ）摘要 近空间飞艇具有重要的军事应用价值，可用于战区侦查、预警、通信以及全球快速打击等。介绍美国、欧洲、俄罗斯、日本、韩国、以色列等国家近空间飞艇的应用和技术现状。总结近空间飞艇发展中面临的主要问题定位与位置保持问题、控制问题、持续飞行的电源问题和近空间的热问题。并提出需突破的关键技术飞行控制技术、高效轻质柔性太阳能薄膜电池技术、高比能量再生燃料电池技术及材料技术。关键词 近空间；飞艇；战区侦查中图分类号 V37 文献标识码 A Current Situation and Development of Foreign Near Space Airship LI Li-liang 1, GUO Wei-min 1, HE Jia-fang 21. Dept. of Testing 2. Dept. of Basic, the Academy of Equipment Command Airship; Battle monitoring0 引言近空间指距地面 20～ 100km 的空域， 包括大气平流层区域、中间大气层区域和部分电离层区域。该区域既不属于航空范畴，也不属于航天范畴，对于情报收集、侦察监视、预警探测、通信保障及对空对地作战等军事应用潜力巨大。平流层飞艇是近空间低层（ 20～ 40km）飞行器的主要形式。故研究国外近空间飞艇的应用和技术现状，并提出发展中面临的问题和需解决的关键技术。1 国外近空间飞艇研究现状1.1 美国近空间飞艇图 1 美国洛马公司 HAA 飞艇概念设计图1 美 国 导 弹 防 御 局 高 空 飞 艇 HAA （ High Altitude Airship ） 。该项目的实施由美国导弹防御局（ MDA Missile Defense Agency ） 牵头从 2002 年 10月开始进行， 按其导弹防御系统构想将有 10 艘飞艇分布美国太平洋沿岸和大西洋沿岸。每艘飞艇将配备先进的可覆盖直径为 1200km 圆形区域的监视雷达和其它传感器，对任何来袭的洲际导弹和巡航导弹提供预警。 HAA 飞艇可运载 1814kg 的任务设备，在地面指挥站的控制下到达约 20000m 的准静地轨道高空并停留 1 月甚至 1 年的时间。2005 年底洛克希德 马丁公司获得 1492 亿美元合同开始制造 HAA 原型机。 HAA 飞艇长 1524m ，直径为 487m ， 容积 15 万 m3。 其主体结构使用柔韧的纤维复合材料，既轻便又结实。其表面由高强度重量比织物材料覆盖。 HAA 飞艇高度自动化， 其飞行控制同传统的软式飞艇十分相似，工作原理同填充氦气的普通飞艇。飞艇上安装有 4 台电动螺旋桨发动机（飞艇两侧各有 2 台） ，为飞艇提供动力。HAA 飞艇表面安装的薄膜光电电池组可吸收太阳能，除可产生推动飞艇前进的部分动力外，还可提供大约 10kW 的额外动力以保证飞艇搭载设备的正常使用。 另外， HAA 飞艇还配备有能循环使用的氢收稿日期 2007 - 11- 16；修回日期 2007- 12- 30作者简介李利良（ 1978 -） ，男，湖南人，装备指挥技术学院在读博士，从事空间作战与空间力量建设研究。兵工自动化 武器装备自动化 O. I. Automation2008 年第 27 卷第 2 期 Armament Automation 2008, Vol. 27, No. 2 33燃料电池为其提供紧急情况下使用，如图 1。2 美国国防高级研究计划局“海象”飞艇。该重型飞艇是一种软式飞艇与飞机的“混合”式飞行器，由充满氦气的流线型艇体、推进系统、稳定操纵舵面和飞行吊舱等组成。具备运送完整的作战单位（包括人员和装备）从驻防区到战区的能力。按 DARPA 的设想， “海象” 重型飞艇的起飞重量将高达 500t 以上，具有洲际飞行能力，并能在恶劣的着陆地点如草地上起降。因使用新技术， “海象”重型飞艇在军事上的应用比早期飞艇大得多。3 美国航空航天局高空平台飞艇。美国航空航天局（ NASA ）于 2003 年，提出 1 个长 185m ，直 径 46m ， 体 积 280000m 3 的 长 驻 空 高 空 平 台（ HALE ）设计方案，并进行可行性分析。 NASA对采用平流层飞艇技术进行太阳系行星探索进行可行性分析，认为采用太阳能电池或同位素电源驱动的飞艇技术是进行金星、火星、土卫六、木星、土星、天王星和海王星等探测的重要手段。4 美国空军“攀登者”军用飞艇。美国空军支持“攀登者”的近空间军用飞艇研制计划，其样品已经问世。 即美国 JP 航空航天公司制造的 “攀登者”飞艇，如图 2。其外形为 V 形，全长 53m ，宽30m 。 安装有 2 台由燃料电池驱动的螺旋桨推进器，并由 GPS 系统进行导航。 该飞艇舱内充气气体为氦气，携带的控制系统可调节各舱室间的氦气容量，以进行空中机动。 2003 年 11 月间， “攀登者” （未携带任何设备）开始被释放到 30000m 的高空进行初期验证试验，并能在地面控制下返回基地。该飞艇是 JP 航空宇宙公司与美国空军合作项目。 公司正在进行研究的另外 2 个项目是“轨道攀登者”飞艇和“黑暗空间站”高空漂浮飞艇平台。图 2 “攀登者”巨型军用飞艇1.2 欧洲近空间飞艇欧洲航天局在 2000 年 3 月，联合德国宇航公司、英国兰德斯特朗气球公司和荷兰代尔夫理工大学，完成对近空间飞艇方案评估。主要用于通信、对地球观察、大气科学和天文学等研究。为此，欧洲航天局在 2000 ～ 2005 年，投资 4500 万欧元，研制“哈尔”半硬式高空飞艇，其设计长度为 220m 、直 径 为 55m 、 飞 行高 度为 20000m ， 载 荷 能 力为1000kg ，可长航飞行（从数月到数年） 。英国将飞艇应用于军事较早。 2000 年 11 月，英国国防评估与研究局（ DERA ）与英国轻型飞艇集团公司研制成功的 LGA60 ＋飞艇， 曾携带 1 部超宽带合成孔径雷达，在科索沃地区首次实战部署，执行扫雷任务，成效显著。 2000 年 6 月 28 日。英国先进技术集团公司（ ATG ）试飞两种名为“天猫”（ SkyCat ）的飞艇。即“天猫” 100 和“天猫” 200。前者可运送 1 架 CH - 47 和 1 架 AH - 64 直升机（无须拆除直升机的旋翼） ，或能运输 12～ 16 辆主战坦克、相关的后勤设备和人员；后者的运载能力为现役 C- 17 运输机的 3 倍，达到 200t，飞行速度为180km / h，飞行距离达 7000km 。此外，先进技术集团公司还提出实施“斯特拉赛特” （ StratSat ）稳定式 近 空 间 无 人 飞 艇 的 发 展 计 划 ， 悬 停 高 度 为19500m ， 载荷能力达到 1000kg ， 飞行速度为 l00 节，能执行长时间（ 5 年）的监视任务。德国卡尔戈莱伏特飞艇公司在 20 世纪 90 年代末提出 “卡尔戈莱伏特” （ Cargo Lifter ） 的巨型运输飞艇，其载荷能力达到 160t 。德国斯图加特大学正在实施一项名为“高空飞行平台”的飞艇项目，飞行高度为 20000m ，载荷能力将达到 1000kg 。准备采用太阳能作为动力。法国是发明世界上第 1 艘飞艇的国家。近年来，法国海军把“天舟” 600 飞艇用于近海巡逻。法国爱尔俄协会正在发展“艾威” （ Avea ）飞艇，其最大有效载荷达到 500t ，飞行高度为 2000m 。按计划，在 2006 年进行首次飞行，于 2008 年提供服务。该项目已引起法国国防部的注意。1.3 俄罗斯近空间飞艇俄罗斯对飞艇的研制有很长历史，但其飞艇的续航时间很短。俄罗斯阿夫古尔飞行中心与捷克库比切克公司合作， 研制了 RD - 1.5 和 RD - 2、 RD - 2.5飞艇。该系列飞艇的续航时间为 45min 。 1995 年，俄罗斯航空静力学公司与莫斯科航空学院共同研制的“航空静力学”- 02 号飞艇升空，其最大有效载荷为 100kg ，续航时间为 4h。据有关资料报道，俄罗斯浮空器飞行学会目前正在研制一种大型飞艇，兵工自动化 武器装备自动化 O. I. Automation2008 年第 27 卷第 2 期 Armament Automation 2008, Vol. 27, No. 2 34长度为 290m 、直径为 58m 、有效载荷将达到 200t 、最大飞行速度为 150km / h、 飞行距离可达 15000km 。该飞艇的充气气体的预热系统采用多个等离子体加速器。 该加速器可控制热值， 可 100 地提高效率，且体积小，调节范围宽，使飞艇的飞行技术性能和使用性能得到提高。俄罗斯空军负责装备的副总司克利申中将对这项发展相当重视，并拨专款研制小型侦察飞艇和 A - 30 型功能飞艇。1.4 日本与韩国近空间飞艇日本对平流层飞艇用于环境监测、通信和广播等领域已研究多年。迄今，日本已在平流层信息平台飞艇的系统设计、构造样式、飞艇使用材料、燃料电池与大阳能电池、飞艇发射和回收、飞艇跟踪和控制等进行分析和计算，并对该平台在宽带无线电通信、广播和地球遥感遥测等领域的应用进行研究。 2002 年 1 月，日本航空宇宙技术研究所提出利用同温层飞艇平台作为一种伪卫星的想法，以代替GPS 承担卫星导航和定位的功能。日本专家认为，由于飞艇平台网络可覆盖日本国土，飞艇系统可改善 GPS 卫星定位系统的精度、可用性及完整性。亚洲实施平流层飞艇研制计划的另一个主要国家是韩国。韩国的宇航研究所是此项计划的主体承担机构。计划分 3 期进行，时间跨度 8～ 10 年。第1 期从 2001 年开始， 为期 3 年， 主要目标是研制 50m长度的飞艇， 在 3km 的高度上飞行 3h， 试验自主飞行技术和高度保持能力，研究平流层环境和燃料电池。第 2 期从 2004 ～ 2007 年，建设地面基础条件，研制平流层飞艇原型机，在 20km 高度进行不短于24h 的试验飞行。 2008 年以后进行平流层飞艇携带任务载荷的飞行测试。1.5 其他国家近空间飞艇以色列飞机工业公司 （ IAI ） 正在研制平流层侦察飞艇，以取代价格昂贵的间谍卫星，执行对周边阿拉伯国家的侦察、预警和跨域通信任务。按以方计划，飞艇原型设计和运营费约 1 亿美元，每艘飞艇的生产成本约 2000～ 3000 万美元。 飞艇长 190m ，升空高度 2.1 万 m，任务载荷约 2t 。并采取无人驾驶、远程遥控的操控模式，且自带导航、制导和控制系统。白天靠设在顶部的太阳能电池供电，夜间靠再生式燃料电池提供能源。由艇身后部的电动引擎带动后螺旋桨进行机动飞行。该飞艇能在时速达74～ 93km 的大风中保持悬停和机动飞行。 还可依指令返回地面，进行维护或任务载荷更换。加拿大 21 世纪飞艇公司在 2002 年 7 月 2 日试飞 1 艘近空间试验飞艇，升空高度 5 486m ，飞行时间 16h。该项目属于加拿大同温层飞艇计划的一部分，该计划将研制一种飞行高度为 18300 ～ 20700m的飞艇，用于通信和环境监测。其独特之处是一改传统的艇状外形，而呈圆形，外部无吊蓝，载荷设备装在圆形艇体内部。2 近空间飞艇发展面临的问题综合世界各国近空间飞艇的应用和技术现状，总结出近空间飞艇发展中亟待解决以下问题1 定位与位置保持问题。近空间飞艇具有独特的结构特点，是大时滞、大惯性、非线性动态系统。为满足高分辨率的要求，有效载荷对飞行器控制系统提出很高的要求。因此，需考虑使用什么方法才能实现飞行器的高定位精度① 要保证艇上的导航仪器的精度，使其能得到较准确的飞艇位置和姿态信息；② 要保证控制系统的控制效果能实现飞艇的高位置保持精度。2 控制问题。近空间飞艇在工作时所处的环境较平缓，没什么大的天气现象，但在起飞和降落过程中，会遇到大风、大雨等恶劣的天气，所以必须考虑如何控制飞艇，以保证飞艇能安全操作。3 持续飞行的电源问题。在浮空的时间上，最关键的是飞艇的电源性能。因此，高效率的太阳能电池帆板和蓄电能力强的电池是最重要部分。因飞艇作为重复使用的飞行器，留空时间长是其优点，而留空长短与电池的蓄电能力有关。若要求飞艇驻留空中达几年时间，则自给能源十分重要。4 近空间的热问题。因近空间温度在零度以下，对飞艇材料及飞艇的飞行特性造成影响。若解决飞艇在近空间的热问题，其飞行将变得简单。3 结论解决近空间飞艇发展面临的问题，需突破以下关键技术1 飞行控制技术。由于近空间飞行器受到不确定性扰动（热环境变化，阵风等）影响，如何克服扰动，保持控制鲁棒性，实现放飞与返回控制、高精度姿态和位置保持控制、姿态和位置机动控制 ， 是保证平流层飞艇安全和正常工作的重要技术，具有和航天器、航空器不同的控制特点。2 高效轻质柔性太阳能薄膜电池技术。飞艇在近空间长期定点工作， （下转第 48 页）兵工自动化 先进制造与管理 O. I. Automation2008 年第 27 卷第 2 期 Advanced Manufacture and Management 2008, Vol. 27, No. 2 48图 5 中，从一系列的枪口特性曲线可见，枪口位移和速度在左右方向（ Z 轴方向） ，轴向方向（ X轴方向）和上下方向（ Y 轴方向）均有一定规律性，在榴弹发射器发射过程中表现出周期性的强迫振动规律。从仿真曲线可以看出，身管轴向方向的响应最大，而左右方向的响应最小。通过与实验数据的比较， 证明该结果符合发射器发射过程的实际情况，完全满足工程研究设计的要求。3 结论通过仿真结果与实验数据相比较，证明该方法有效可行。在仿真过程中，对于长细较大且可能出现较大变形的部件， 如弹性架杆， 不应简化成刚体，而要看成柔性体。这样，不仅可反映部件的柔性变化，也可较真实可靠地得到系统的动态特性。参考文献[1] 李军 , 邢俊文 , 覃文洁 , 等 . ADAMS 实例教程 [M]. 北京 北京理工大学出版社 , 2002. [2] 洪嘉政 . 多体系统动力学理论、 计算方法和应用 [M]. 上海 上海交通大学出版社 , 1993. 30 - 45. [3] 刘延柱 , 洪嘉政 , 杨海兴 . 多刚体系统动力学 [M]. 北京 高等教育出版社 , 1980. 10 - 75. ********************************************************************************************************** （上接第 34 页） 空气稀薄且无云层遮掩，其太阳能利用效率接近太空中太阳能利用效率，利用太阳能发电是提供电力的最佳方案。由于飞艇重量是飞艇设计中需考虑的重要参数，因此在飞艇表面安装柔性薄膜电池是合理的选择。3 高比能量再生燃料电池技术。为保证夜间近空间飞艇对电力的要求，需储能电池。再生燃料电池（ RFC） 能量密度较高， 是平流层飞艇优选的电池。 氢氧再生燃料电池比能量可达 0.4～ 1.0kwh / kg，可有效降低平流层飞艇重量，提高承载能力。4 轻质阻氦蒙皮材料技术。由于平流层飞艇要长期在低密度、高辐射、低温的环境下运行，而充填的氦气渗透性较高。因此，要求蒙皮材料必须具有强度高、重量轻、抗辐射、耐环境、低氦渗漏、抗皱折、表面光滑、工艺性好的特点。参考文献[1] 曲东才 . 飞艇研制及发展 [J]. 航空科学技术 , 2005, 2 20- 23. [2] 王毅 . 国际新一代对地观测系统的发展 [J]. 地球科学进展 , 2005, 20 9 980 - 988. [3] 宋笔锋 . 超高空飞艇的发展现状和关键技术分析 [J]. 航天航空技术 , 2005, 2. [4] Edward H. Allen. The Case for Near Space [J]. Aerospace America, 2006, 2. [5] Charlie Lambert. Developing Architectures for High Altitude Airships [J]. AIAA 2003-6781, 2003. [6] Robert E. Blackington. Near Space Maneuvering Vehicle [J]. AIAA-LA 2003-0000, 2003. ********************************************************************************************************** （上接第 40 页）3 结论证据的合成与其应用背景具有很强的相关性，应根据具体的应用背景考虑具体的合成算法，很难找到具有普遍适用性的融合算法。参考文献[1] Ronald H. Yager. On the Dempster-Shafer Framework and New Combination rules [J]. Information Science, 1987, 41 93- 137. [2] 孙全 , 叶秀清 , 顾伟康 . 一种新的基于证据理论的合成公式 [J]. 电子学报 , 2000, 28 8 117 - 119. [3] Murphy C K, Combining Belief Functions When REvidence Conflicts[J]. Decision Support Systems, 2000, 29 1 1 - 9. [4] 邓勇 , 施文康 , 朱振福 . 一种有效处理冲突证据的组合算法 [J]. 红外与毫米波学报 , 2004, 23 1 27 - 32. [5] 关欣 , 孙晓明 , 何友 . 一种冲突证据的融合算法 [J]. 电子科技大学学报 , 2007, 36 1 30 - 32. （上接第 42 页） 用有限元法将简化后的身管模型离散为多个单元，求解身管的固有频率及其对应的模态，可对形状不规则的火炮身管的固有振动特性进行分析。该研究的数值计算结果与实际情况接近，对该型火炮弹道修正及射击频率的设置具有重要的参考价值。参考文献[1] 李永建 , 李鹏 , 曹金荣 . 温度场对机枪动力特性的影响[J]. 军械工程学院学报 , 2006, 18 2 5 - 7. [2] 王 勖 成 , 邵 敏 . 有 限 单 元 法 基 本 原 理 和 数 值 方 法 [M]. 北京 清华大学出版社 , 1995. [3] 诸德超 , 邢誉峰 . 工程振动基础 [M]. 北京 北京航空航天大学出版社 , 2004. [4] 欧阳光耀 , 王树宗 , 王德石 . 火炮身管振动特性及减振研究 [J]. 海军工程学院学报 , 1999, 2 79 - 86. [5] 于海龙 , 芮筱亭 , 何斌 , 等 . 火炮身管固有振动特性的有限元传递矩阵法 [J]. 弹道学报 , 2006, 18 3 62 - 64. 欢迎订阅、欢迎赐稿、欢迎广告惠顾兵 工 自 动 化