《環球飛行》2012年12期 【科技前沿動態】

 

誰將是臨近空間的拓荒者

——淺談變體空天飛艇

本刊記者 沈英甲

        飛艇是人類最早的實用航空器，作為一種基于靜升力的可操縱飛行器，飛艇有著動升力飛行器所不具備的獨特優點。人類研制運行高度指向臨近空間的平流層飛艇已有近50年的歷史，臨近空間目前的共識是指對地高度在20余千米以上、100千米以下的空域范圍。各國競相研制平流層飛艇的目的是顯而易見的：誰率先擁有能在平流層長期定點駐空或巡航飛行的戰略平臺，誰就開創了人類在臨近空間活動的新紀元，空天一體化愿景也就有了實現的可能。平流層飛艇無疑具有極其重大的政治和軍事意義，以及潛在的巨大商業利益。從常理來看，借助如今人類所掌握的航空航天技術和工業能力，制造現代飛艇的難度應當遠低于100多年前飛艇壟斷天空的那個時代。然而，盡管近半個世紀以來人們先后提出了許多平流層飛艇方案，也著手開展過無數的相關實驗，但時至今日，人類仍然無法創造出有實用價值的平流層飛艇。原因何在？本文簡述一位中國科學家創造的變體空天飛艇，并列出幾類有代表性的各國平流層飛艇方案，以資比較以饗讀者。

 中國創造的變體空天飛艇

        人類致力于平流層飛艇探索研究，大約是從上世紀70年代初期開始的。人們對平流層飛艇的期望其實并不高：能夠在地面、對流層到20千米以上的平流層高度范圍實施有效操縱升降、定點懸浮或巡航飛行；能攜帶一定重量的載荷在平流層長航時執行任務；能夠有效操縱返回到地面指定位置，這就算達到平流層飛艇的目的了。這樣的期望，當然就使人們不約而同地聯想起現有的軟式飛艇：既然早期的飛艇都能輕而易舉往返地面至數千米的高空，那么只需把他們的體積加大到足以對付平流層稀薄空氣的程度，研發出高阻氣和具備高抗壓能力的新型囊體材料，再配以先進的動力、控制與工程方法和工藝技術，平流層飛艇應當不難實現。然而，當人們將設想付諸行動之后才發現，問題并非那么簡單。

       時光飛逝，轉眼就到了1992年，從這個時期開始，各國平流層飛艇研究熱潮相繼降溫。曾經引起人們廣泛關注的各國平流層飛艇項目，大多中途而廢了。原因在于當人們滿懷激情和信心并付出20多年的努力之后，卻發現平流層飛艇仍然只是愿景而遙不可及。悲觀失望的情緒籠罩在人們心頭，各種懷疑、責難也在業界彌漫開來。

      1992年夏季，時為北京航空航天大學飛機設計與應用力學專業博士研究生的李曉陽，前往日本橫濱一家飛艇公司作短期研修，這是當時整個亞洲唯一擁有大型齊伯林飛艇的機構，用飛艇來做空中廣告和載客觀光。李曉陽認為，人類在平流層飛艇領域遲遲不能如愿，不應簡單歸結為現有航空航天科技水平和工業能力不足，問題可能出在某個被忽略了的關鍵點上。他此行的目的，就是要零距離接觸當時最先進的現代軟式飛艇，以期能找到平流層飛艇研制裹足不前的原因。

     此后的幾年中，李曉陽還實地考察了多個國家的平流層實驗樣艇。他倒不是想學別人怎么做，而是要研究為什么大家都做不成，這當中究竟隱藏著什么尚不為人知的奧秘。

      從平流層飛艇的各種方案中，李曉陽找到了它們的共同點。這些看似有別、各有特色的平流層飛艇，它們調節囊體壓力的基本方法，卻都采用了140年前法國人查理和羅伯特兄弟的發明，簡單說來就是軟式飛艇普遍采用的主囊+副囊結構。借助動升力上升時，利用主囊的承壓能力來防止內壓擴張，同時“擠”出副囊中的空氣；向副囊鼓入空氣以重新獲得下沉力時，亦需利用主囊的承壓能力來束縛囊中增大的內壓，防止囊體爆裂和維持囊體形狀。由此可見，軟式飛艇在垂直方向運動的高度范圍，受制于“主囊容積”和“囊體承壓能力”這兩個主要條件。李曉陽發現，正是這兩個無法平衡的矛盾，阻礙了平流層飛艇的發展進程。

       軟式平流層飛艇的主囊容積相對不變，要使之能夠浮升到平流層高度，飛艇除了要有巨大的體積外，還要求升空前飛艇主囊中的輕質氣體量與副囊空氣量達到一定的比值，否則飛艇因不能獲得凈靜升力而升不起來。而輕質氣體量多了則副囊中的空氣量必須相應減少，這又使得其理論壓力高度（升限）降低。這種結構性的矛盾，成為軟式平流層飛艇無法突破的技術瓶頸。

       可以設想：假如采用現有軟式飛艇原理和構造來制造一艘飛艇，并且已經有能力把艇體容積做得足夠大，飛艇能輕易越過氣流多變的對流層和風速較大的激流層，上升到數十千米高的平流層去展開作業。同時，人們也有足夠的技術條件來應對飛艇在平流層環境中面臨的種種復雜問題。那么在完成任務后，有什么辦法能把這艘巨大飛艇可靠地操縱下降返航，準確回到基地或者其他指定的著陸場站，而不是無能為力地任其隨著經、緯向氣流，不受控地飄降到某個無法準確預測的著陸點？

      “在釋放出主囊體中部分輕質氣體的同時向副囊鼓入空氣”，或者干脆“利用主囊體的承壓余度向副囊鼓入空氣”，這樣使飛艇獲得初始下沉力的方案似乎可行。然而深入研究下去就會發現，即使不考慮是否有能力制造承壓能力極強的軟式飛艇囊體材料，也不考慮加強材料后所增加的囊體重量，在飛艇獲得初始下沉力后的下降過程中，如何有效解決飛艇囊體所承受的、不斷增大的壓力問題，則是一定不能回避的。因為軟式飛艇的囊體需要始終保持其外形，否則就會喪失可操縱性。飛艇從數十千米的平流層返回到地面，大氣壓強增大了數十倍，飛艇從開始下降就需要持續對抗大氣壓強，對抗力還得不斷增大才行。換言之，根據能量轉換和守恒定律，飛艇從數十千米的平流層下降回到地面，大氣壓力對飛艇做了多少功，飛艇就必須對抗大氣壓強付出相同的功，才能維持其囊體外形以保持可操縱性。

       理論上，能攜帶任務載荷在數十千米高度長航時作業的實用軟式平流層飛艇，其體積至少也得有數萬立方米。因此，當它從數十千米的平流層下降返航時，需要把近百萬立方米密度逐漸由小到大的空氣，先是鼓入進而壓縮到其數萬立方米的艇囊中，如此才有可能以對等的內壓來持續對抗囊外大氣壓強，以免飛艇囊體變形而失去可操縱性。在人類現有技術條件下，任何基于阿基米德浮力定律的浮空器，顯然都無法承擔功耗如此巨大的作功系統。

       人們還記得那個著名的“馬德堡半球”實驗。據史冊記載，1654年5月8日，在神圣羅馬帝國時期的雷根斯堡，奧托•馮•居里克向羅馬皇帝斐迪南三世演示了大氣壓強巨大威力的半球實驗。他先將兩個沉重的銅制半球小心翼翼地對接在一起，不用任何粘合劑的輔助將它們密合成一個圓球，并用自制的真空泵將球內的空氣抽掉。隨后，奧托•馮•居里克驅使兩隊各15匹壯馬，從兩側以相反的方向試圖拉開這兩個半球。然而無論這些馬匹如何竭盡全力，始終都無法將這兩個半球拉開，兩個半球最終還得通過解除真空狀態才得以分離。此后幾年中，居里克還多次在馬德堡等地重復演示了該項實驗，結果都相同。

       從這個300多年前的物理學經典實驗中李曉陽得到啟發：人類對抗大自然的能力終有限度，深入了解并適應而非總是試圖對抗大自然規律，是人類掌握和利用大自然的不二法則。此外，過多依賴和迷信數理邏輯計算也可能會誤入歧途，因為許多在數學計算上能夠成立的技術理論，在物理事實中卻是違反自然規律而不可行的，這樣的事例并不鮮見。

       過往各類平流層飛艇方案難以化解或繞開的結構矛盾，大多是因為需要對抗但又無法對抗大氣壓力而引發。因此， 李曉陽認為在現階段科技能力條件下，巧妙利用而不是對抗大氣壓力，才是能否真正實現平流層飛艇的關鍵所在。

       通過大量的基礎理論研究和相關技術實驗，一種全新的平流層飛艇創造思路在李曉陽的腦海中形成了。2000年，李曉陽提出了變體式空天飛艇的創新科學理論及其實現技術； 2005年，中國專利局和美國專利局先后授予李曉陽變體式空天飛艇(Transformable Airship)發明專利權。

       變體飛艇從根本上改變了人類現有各類飛艇的設計思想和工程方法，其原理簡單說來就是：通過在現有科技條件下可行的技術方法，使飛艇能夠實現自適或可控的數十倍容積變化，改變其靜升力而改變其在垂直向的運動；變體過程中能保持可操縱性和動升力，從而實現從地面到臨近空間的三維全向可控飛行或定點懸浮，并能操縱返回地面指定點，以便維修養護和重復使用。變體式空天飛艇可分為徑向變體（圖1）和縱向變體（圖2）兩大類型，分別針對不同的應用目的和應用范圍。變體式空天飛艇科學理論、技術方法和研制進展等，一些公開文獻已有相關記載，本文不再贅述。

圖1  一種徑向變體空天飛艇示例

  

圖2  一種縱向變體空天飛艇示例

 

       變體空天飛艇巧妙地利用了大氣壓強這個取之不盡的能源，在對流層和臨近空間都能輕松升降、在各高度定點懸浮駐空和巡航飛行，并能有效操縱返回地面指定位置。筆者曾就“平流層飛艇為什么一定要能有效操縱返回地面指定位置”這個問題，咨詢李曉陽博士，李博士這樣回答了我的疑問：平流層飛艇的整個運行過程都必須能夠有效和可靠地進行操縱，包括途經對流層往返平流層，和在平流層長時間定點懸浮或按預設航線巡航飛行作業，并能根據需要隨時操縱返回基地，缺乏這些最基本條件的“平流層飛艇”也就缺乏實用意義。

       此外，任何一種航空航天器都有其安全使用周期和壽命，不僅需要定期或不定期返回地面維修養護，壽命結束后也必須返回地面銷毀。發展航空航天技術的目的，主要還是為居住在地球上的人類服務，但我們不能僅僅考慮如何發展和應用航空航天技術而不重視其中的隱患。例如，自蘇聯發射人類第一顆人造衛星“斯普特尼克”1號以來，世界各國先后向太空發射了大約4000多顆衛星，當中許多衛星如今已經成為了太空垃圾，是懸在人類頭上的“達摩克利斯之劍”。雖然這些太空垃圾中的大部分都在掉回地面的過程中燃燒殆盡，或掉入沒有人煙的大海，但由于這些太空垃圾墜回地面的過程是不可控的，因此完全有可能給人類帶來難以預測的災難。面對太空垃圾這一嚴峻問題，人類至今仍然束手無策。所以，我們在發展新技術的同時應當高度重視前車之鑒，不要又給自己埋下災難伏筆。

有代表性的各類平流層飛艇

      1、美國HALE-D平流層飛艇  2011年7月27日，美國軍方和洛克希德•馬丁公司在俄亥俄州實施了HALE-D平流層驗證艇（圖3）的首航試飛，這是處于平流層飛艇研究領域世界領先地位的美國所進行的最新實驗。HALE-D平流層驗證艇采用典型的軟式飛艇原理，其設計技術指標是：直徑約21米，體積約1.8萬立方米，攜帶約22千克的攝像機和通信轉發器，可到達18-21千米的平流層高度并停留10-14天。

      這艘耗資巨大的平流層驗證艇試飛結果是：當HALE-D平流層驗證艇升高到約9.7千米的高度時，它的囊體就超過了承壓極限而破裂，于是飛艇失浮下沉。由于其僅有10KW功率的小電動螺旋槳難以驅動體積龐大、因失壓而變形的艇體，故該艇連飄帶降隨風位移了100多公里后墜落到賓夕法尼亞州的森林里，未能達到預期的試驗目標。

      HALE-D驗證艇1.8萬立方米的體積顯然很巨大了，但它仍只是美國“HAA高空飛艇”項目的縮比小艇而已。事實上，HAA高空飛艇項目在幾年前就已經被終止了，終止原因是專家和用戶們有足夠的理由懷疑“該飛艇是否實用？”和“平流層飛艇的關鍵技術能否突破？”。

 

圖3  美國HALE-D平流層飛艇

 

 

       2、日本“同溫層平臺”平流層飛艇  日本宇宙開發事業團等機構投入巨資聯合開發的“同溫層平臺”平流層飛艇（圖4），2003年8月實施了一次檢驗升空高度極限的試驗。該飛艇的設計技術指標是：艇長約47米，直徑約12 米，體積3566立方米，起飛重量約500 千克，設計升限16千米。

     “同溫層平臺”平流層飛艇采用類似施放高空氣球的方法，利用凈靜浮力自由飄浮升空。據報該艇上升30分鐘后曾到達16.4千米高空， 其囊體在此高度因超過了承壓極限而破裂。和高空氣球傘降回收的情形一樣，該艇自由墜落下沉的過程是不可控的， 隨風飄降到海濱小城日立市附近海域低空，傘降到海面打撈回收。

      從實驗表現和結果來看，日本“同溫層平臺”平流層飛艇實質上仍只是一種外觀呈飛艇狀的高空氣球，沒有動力而不可操縱，只能隨風飄蕩，更不能操縱下降返回地面指定位置。因此，該浮空器顯然與人們愿景中的平流層飛艇相去太遠。

 

 

圖4  日本“同溫層平臺”平流層飛艇

 

 

      3、螺旋槳動力平流層雙氣球飛艇  2011年10月，美國JP航宇公司在內華達州施放了一個懸掛著電動螺旋槳的氣球組（圖5），這個名為坦德姆(Tandem)的雙氣球飛艇能夠浮升到約3萬米的高空。

      坦德姆雙氣球飛艇構造是將兩個普通高空氣球分別固定在碳纖吊架的兩端，利用兩個安裝在碳纖吊架上的電動機驅動螺旋槳，在無風或微風的環境中，螺旋槳可以帶動兩個氣球沿水平向緩慢位移或左右旋轉。當雙氣球飛艇浮升到其氣球承壓能力極限的高度時，一個氣球自行爆炸泄氣，另一個氣球則人工遙控放氣。地面人員借助艇上的5個降落傘，把雙氣球飛艇的儀器設備傘降回到地面。然后，根據儀器設備接地后信標發出的位置信號，將它們尋回。

      高空氣球是輕于空氣浮空器的一種，它們一般都能浮升到數萬米以上的臨近空間中下層。氣球與飛艇的區別，主要在于飛艇可以操縱而氣球難于操縱。這是因為雖然氣球、飛艇兩者的體積都較為龐大，但飛艇艇囊流線形的減阻設計使它的迎風阻力顯著降低，而且飛艇艇囊還具備一定的動升力，這就使得飛艇能夠借助驅動裝置實施飛行控制。相比之下，球形物體的阻力系數相對很大，而球體微小的動升力也幾乎可以忽略不計。因此，即使給氣球配上驅動裝置，其效率也會很低，在風速較大或流速多變的環境中幾乎無法操縱。

 

 

圖5  螺旋槳動力平流層雙氣球飛艇

 

        4、升浮一體混合飛艇  100多年前，人們就提出過各種利用機翼來增加飛艇升力的“升浮一體混合飛艇”方案，例如建于1903年的Santos-Dumont飛艇，就是采用了這種結構。這類結構的飛艇（圖6）重于空氣，理論上，其所配置的機翼或其他升力裝置能夠幫助飛艇獲得額外的升力，因此可以看作是飛機和飛艇的結合體。

       歷史上諸多類似實驗表明，升浮一體混合飛艇工作效率很低，集中了飛艇和飛機的缺點而損失了兩者的優點，因為：重于空氣的升浮一體混合飛艇必須依靠于引擎的動力才能保持在空中的升力，起飛和降落都需要相對較快的速度。由于飛艇的功耗與其相對空氣速度的三次方成正比，高速飛行正是飛艇的弱項；飛機的升力則與速度的平方成正比，低速飛行時機翼將不能提供足夠的升力。簡單說來就是飛艇要慢而飛機要快，才能發揮各自的長處，升浮一體混合飛艇顯然無法解決這個致命的矛盾。

       充滿大量氣體的艇體不能像飛機那樣方便和易于操作，升浮一體混合飛艇也不可能像飛機那樣在跑道上高速滑行起飛。此外，如何解決柔弱的艇體在高速著陸時需應對的巨大撞擊力問題也不容易，對付著陸撞擊力的堅固結構給飛艇帶來的重量，是飛艇無法承受的。

       升浮一體混合飛艇的機翼不能做得很大，故其產生的升力會比較集中，因此升浮一體混合飛艇必須具備更強的結構來支撐這個力。由此而增加的構架、燃料、發動機及相關操作裝置等的重量，將會超過由機翼產生的升力。

       顯而易見，升浮一體混合飛艇方案并不適用于平流層飛艇。

 

 

圖6  升浮一體混合飛艇

 

       5、變軸長可折疊飛艇  2006年10月27日，美國一個民間航空愛好者團體首次試飛了他們創造的“變軸長可折疊飛艇”（圖7），該飛艇有兩個特征：一是采用了雨傘狀可折疊的艇囊結構，二是利用“給定表面積的幾何體中，球形容積最大”這一數學原理，通過拉長或縮短艇囊的“變軸長”方法來改變艇囊容積，以期能夠增加或減少飛艇浮力，使它上升到平流層的高度。

       該艇是熱氣飛艇，艇載液化石油氣燃燒產生的熱氣從艇體下部的開口進入艇囊，加熱囊內空氣，使囊內空氣密度低于艇囊外部空氣而獲得浮力升空，基本原理與人們常見的熱氣球類似。該飛艇長31米，最大直徑21米，最大重量1860千克，巡航速度16千米/小時，汽油發動機驅動螺旋槳推進，巡航時的艇囊容積為5805立方米。不飛行時，其艇囊可以折小到42立方米。

       該飛艇艇囊結構由三部分構成：織物蒙皮；鑲入織物里的柔性骨肋；貫穿艇體中心軸的張力線。艇囊的關鍵技巧是一個典型的“張拉結構”，在艇囊里的骨肋處于壓縮下，織物蒙皮和張力線處于相反的張力下。張力結構的原理廣泛應用了一個多世紀，最普遍的例子就是人們日常生活中所用的折疊傘。

      將表面積一定的球體拉長或縮短，其容積最多只能有約2.5倍的變化，而地面與數萬米高度的平流層卻有數十倍的空氣密度差，因此將該艇折疊傘式的“張拉結構”用于平流層飛艇并沒有明顯增益，其“變軸長”的折疊結構給飛艇增加的重量，將會抵消熱氣飛艇容積增大所獲得的浮力。

 

圖7  變軸長可折疊飛艇

 

       6、可折疊/展開平流層飛艇   可折疊/展開平流層飛艇方案由美國約翰•霍普金斯大學提出，稱為HARVe飛艇（圖8）。HARVe飛艇的研究目標，是探索低成本平流層飛艇的科學理論和技術方法。該飛艇要求能夠折疊放入巡航導彈中，巡航導彈則由潛艇承載并從海下發射升上18.3-30.5千米高度的平流層。到預定高度后，導彈解體釋放出HARVe飛艇執行預定任務。

       該飛艇的研究團隊認為HARVe具有極大的潛在軍事應用價值，是保衛國土安全和滿足國土全地域無縫隙偵察的理想平臺。方案中的HARVe飛艇是一次性的，不能操縱返回地面故不能重復使用。在平流層巡航約30天后， HARVe飛艇會自行解體或用其他方法將其摧毀。業內認為，如果計入導彈、潛艇承載與發射等的費用，HARVe飛艇的總體運行成本其實并不低。

       2005年7月，約翰•霍普金斯大學的研究團隊曾制造了一艘艇長為5.18米的常規軟式飛艇模型，來作為HARVe飛艇的實驗平臺。

 

圖8  可折疊/展開平流層飛艇

 

       ● 無論上述這些形形色色的平流層飛艇結局如何，人們開拓臨近空間航空新紀元的不懈努力，都是令人欽佩的。平流層飛艇無疑具有如同萊特兄弟發明飛機那樣的開創性，在科學理論創新、不同大氣環境中運行對系統構造的特殊要求、工程材料綜合運用與工藝技術、極端大氣環境對飛行器影響的對策與解決方案、飛控方法和操縱技術等諸多方面，都面臨著巨大的困難和挑戰。如果平流層飛艇能夠實現，將是人類科技探索前所未有的重大突破。

      誰將是臨近空間的拓荒者？我們不妨拭目以待。