论文部分内容阅读
摘要：平流层飞艇平台只有在材料、结构、动力、导航和控制等领域提出创造性的技术解决方案，才能在各种气候条件下定点在高空为人们提供长期、稳定的服务。
关键词：飞艇;技术;解决方案
平流层飞艇平台与低空飞艇和其他飞行器在关键技术上面有很大不同，平流层飞艇平台的研制被认为是世纪初的超级技术难题。
1材料技术
普通飞艇的外蒙皮外膜通常是由聚醋材料制成的，虽然聚醋材料有良好的性能，但其强度重量比决定了它并不适用于平流层飞艇。由于在平流层空气稀薄、浮力小，因此具有轻质高强度的材料是平流层飞艇长期驻空必不可少的条件同时还必须对氦气的密封性好，并且能够抗紫外线、抗老化，适应平流层的大气环境。在材料技术方面，日本研制的膜材走在了世界的前列。
日本开发的构成平流层飞艇外膜的机能材料通常包括基布、气体隔离材料和保护材料。基布是保持飞艇内压，并确保强度的材料所使用的素材是聚苯炳恶腔纤维和聚芳酷纤维两种，与钢材相比刚度更大，而抗拉强度也很高。要制成尺寸巨大的飞艇外膜，必须采用快速的焊接技术，可以考虑高频和热融焊接。另外，在平流层底部，昼夜温差很大，各种射线也很多，因此，飞艇外膜的反射与吸收特性也很重要。
2结构设计
平流层飞艇包括外膜、龙骨、氦气囊、尾翼以及推进装置等部分。合理的结构设计是保证飞艇满足各种性能要求的前提。在结构设计中，主要考虑的应是如何使飞艇变的“更轻”，另外，还要考虑飞艇的稳定性、机动性及抗风性能等。目前，各国采用的结构设计方案都不相同，但从减小阻力系数以及操纵性方面考虑，大多采用椭球体形状。为保持形状，飞艇中大多充有增压空气，压强略高于外界。艇身下方一般装有吊篮，可以作为运输、监控等的平台。飞艇尾部尾翼大多为形或形，尾翼上带有升降舵和方向舵等航空控制舵面。由于尾翼的大小及形状关系到飞艇的稳定性以及控制性能，研究表明，形尾翼具有最好的稳定性，大部分采用这种形状，形尾翼具有较好的控制性能。
3能源技术
对于平流层飞艇来说，如何长期提供源源不断的能量是其动力系统所面临的最大挑战。这只有通过发展先进的能源技术来解决。目前，平流层飞艇平台采用的能源技术解决方案主要有两种一种是太阳能电池结合蓄电池来提供能量，另一种是太阳能电池和再生燃料电池共同储存和提供能量。第一种方案具体应用时，是由太阳能电池在白天把光能转化为电能，并在提供连续电能的同时，对蓄电池进行充电，到了夜晚再由蓄电池供电。第二种方案同样是由太阳能电池在白天完成光能到电能的转换，但同时还利用电解将燃料电池产生的水转变成氢和氧，到了夜间，燃料电池就利用储存的氢和氧产生电能和水，并将产生的水储存下来以用于下一个电解周期。太阳能电池和再生燃料电池盯都是可以直接产生电能的绿色能源技术，具有效率高、无污染、可长期使用等特点，但在平流层实际使用时，还必须考虑轻便、高效和可靠性等诸多因素。
4控制技术
4.1压力控制
平流层飞艇是充气的柔性体，需要通过压力控制使其在飞行过程中保持内外压力平衡，从而保持整个飞艇的外部形状。一般通过对飞艇内部的空气囊进行充放气来实现压力控制。在飞艇上升期间，外部压力降低，为避免飞艇外形过渡膨胀而引起爆裂，就需要通过差压阀门放气以保持内外压力平衡。在飞艇下降过程中，随着高度降低，外部压力增加，则需要打开鼓风机进行充气，维持差压。在定点时，由于温度变化，也会使飞艇内部压力发生变化，从而影响飞艇外形，也需要通过压力控制来维持内外压力平衡。
4.2姿態控制
飞艇转弯和爬升都需要姿态控制来实现。飞行姿态控制包括俯仰姿态控制和偏航姿态控制。平流层飞艇姿态控制主要有控制舵面角偏转来调整俯仰和偏航角控制头、尾两端的空气囊充气或放气来调整俯仰角通过调整推力的方向及大小来改变姿态等。
4.3定点控制
定点的概念是指在长期驻空过程中，平流层飞艇能够在指定的范围内保持相对地面静止。由于在驻空期间，飞艇往往会受到风、热气流以及昼夜温度变化等各种扰动而偏离原来的位置。因此必须采用相应的控制策略，使飞艇在这种情况下能够自动的回归到定点位置并保持静止。
4.4温度控制
平流层的昼夜温差很大，分析表明，由于太阳能电池吸收效率低，温差造成艇体内部气体温度和压力变化，继而影响到飞艇的外形和浮力，造成飞艇的高度漂移、姿态变化和抗风能力下降等。在这方面，日本的进行了深入研究，给出了热解析评价的结果，为研究温度变化对飞艇的影响提供了方法和依据。
5结语
平流层飞艇平台的广阔应用前景越来越引起世界各国的关注，只有在材料、结构、动力、导航和控制等领域提出创造性的技术解决方案，能在各种气候条件下定点在高空为人们提供长期、稳定的服务。
参考文献
[1]甘晓华，郭颖飞艇技术概论[M]，北京国防工业出版社，2018
[2]王先国，竞争向平流层扩展[N]，解放军报，2018.6
[3]候东兴，浮空器在军事斗争中的应用及发展趋势[J]，航空兵器，2019.4
作者简介：叶彬彬（1990.5—）初级工，安徽长丰人，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究
（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽 合肥 230031）
关键词：飞艇;技术;解决方案
平流层飞艇平台与低空飞艇和其他飞行器在关键技术上面有很大不同，平流层飞艇平台的研制被认为是世纪初的超级技术难题。
1材料技术
普通飞艇的外蒙皮外膜通常是由聚醋材料制成的，虽然聚醋材料有良好的性能，但其强度重量比决定了它并不适用于平流层飞艇。由于在平流层空气稀薄、浮力小，因此具有轻质高强度的材料是平流层飞艇长期驻空必不可少的条件同时还必须对氦气的密封性好，并且能够抗紫外线、抗老化，适应平流层的大气环境。在材料技术方面，日本研制的膜材走在了世界的前列。
日本开发的构成平流层飞艇外膜的机能材料通常包括基布、气体隔离材料和保护材料。基布是保持飞艇内压，并确保强度的材料所使用的素材是聚苯炳恶腔纤维和聚芳酷纤维两种，与钢材相比刚度更大，而抗拉强度也很高。要制成尺寸巨大的飞艇外膜，必须采用快速的焊接技术，可以考虑高频和热融焊接。另外，在平流层底部，昼夜温差很大，各种射线也很多，因此，飞艇外膜的反射与吸收特性也很重要。
2结构设计
平流层飞艇包括外膜、龙骨、氦气囊、尾翼以及推进装置等部分。合理的结构设计是保证飞艇满足各种性能要求的前提。在结构设计中，主要考虑的应是如何使飞艇变的“更轻”，另外，还要考虑飞艇的稳定性、机动性及抗风性能等。目前，各国采用的结构设计方案都不相同，但从减小阻力系数以及操纵性方面考虑，大多采用椭球体形状。为保持形状，飞艇中大多充有增压空气，压强略高于外界。艇身下方一般装有吊篮，可以作为运输、监控等的平台。飞艇尾部尾翼大多为形或形，尾翼上带有升降舵和方向舵等航空控制舵面。由于尾翼的大小及形状关系到飞艇的稳定性以及控制性能，研究表明，形尾翼具有最好的稳定性，大部分采用这种形状，形尾翼具有较好的控制性能。
3能源技术
对于平流层飞艇来说，如何长期提供源源不断的能量是其动力系统所面临的最大挑战。这只有通过发展先进的能源技术来解决。目前，平流层飞艇平台采用的能源技术解决方案主要有两种一种是太阳能电池结合蓄电池来提供能量，另一种是太阳能电池和再生燃料电池共同储存和提供能量。第一种方案具体应用时，是由太阳能电池在白天把光能转化为电能，并在提供连续电能的同时，对蓄电池进行充电，到了夜晚再由蓄电池供电。第二种方案同样是由太阳能电池在白天完成光能到电能的转换，但同时还利用电解将燃料电池产生的水转变成氢和氧，到了夜间，燃料电池就利用储存的氢和氧产生电能和水，并将产生的水储存下来以用于下一个电解周期。太阳能电池和再生燃料电池盯都是可以直接产生电能的绿色能源技术，具有效率高、无污染、可长期使用等特点，但在平流层实际使用时，还必须考虑轻便、高效和可靠性等诸多因素。
4控制技术
4.1压力控制
平流层飞艇是充气的柔性体，需要通过压力控制使其在飞行过程中保持内外压力平衡，从而保持整个飞艇的外部形状。一般通过对飞艇内部的空气囊进行充放气来实现压力控制。在飞艇上升期间，外部压力降低，为避免飞艇外形过渡膨胀而引起爆裂，就需要通过差压阀门放气以保持内外压力平衡。在飞艇下降过程中，随着高度降低，外部压力增加，则需要打开鼓风机进行充气，维持差压。在定点时，由于温度变化，也会使飞艇内部压力发生变化，从而影响飞艇外形，也需要通过压力控制来维持内外压力平衡。
4.2姿態控制
飞艇转弯和爬升都需要姿态控制来实现。飞行姿态控制包括俯仰姿态控制和偏航姿态控制。平流层飞艇姿态控制主要有控制舵面角偏转来调整俯仰和偏航角控制头、尾两端的空气囊充气或放气来调整俯仰角通过调整推力的方向及大小来改变姿态等。
4.3定点控制
定点的概念是指在长期驻空过程中，平流层飞艇能够在指定的范围内保持相对地面静止。由于在驻空期间，飞艇往往会受到风、热气流以及昼夜温度变化等各种扰动而偏离原来的位置。因此必须采用相应的控制策略，使飞艇在这种情况下能够自动的回归到定点位置并保持静止。
4.4温度控制
平流层的昼夜温差很大，分析表明，由于太阳能电池吸收效率低，温差造成艇体内部气体温度和压力变化，继而影响到飞艇的外形和浮力，造成飞艇的高度漂移、姿态变化和抗风能力下降等。在这方面，日本的进行了深入研究，给出了热解析评价的结果，为研究温度变化对飞艇的影响提供了方法和依据。
5结语
平流层飞艇平台的广阔应用前景越来越引起世界各国的关注，只有在材料、结构、动力、导航和控制等领域提出创造性的技术解决方案，能在各种气候条件下定点在高空为人们提供长期、稳定的服务。
参考文献
[1]甘晓华，郭颖飞艇技术概论[M]，北京国防工业出版社，2018
[2]王先国，竞争向平流层扩展[N]，解放军报，2018.6
[3]候东兴，浮空器在军事斗争中的应用及发展趋势[J]，航空兵器，2019.4
作者简介：叶彬彬（1990.5—）初级工，安徽长丰人，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究
（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽 合肥 230031）