大型载重飞艇的升力控制方法探索

2014-08-15张伟

科技传播 2014年12期

张伟

中航通飞研究院，广东珠海 519040

0 引言

没有任何标准对大型载重飞艇的载重量进行定义和说明，一般认为，有效载荷在50 吨以上的飞艇，为大型载重飞艇。当然，对于一些有效载荷没有超过50t，但是如果能运载超大型不规则货物，也可认为是大型载重飞艇。

目前世界范围内都没有大型载重飞艇成功的案例，原因有很多。有非技术方面的，比如NASA 总结出来的几条：没有大额资金的投入，飞艇工程技术人员的缺乏，无法弥合的飞艇技术限制和客户需求之间的矛盾，无法实现的较短的研制周期，投资人和客户对设计周期和研制费用缺乏耐心等；也有技术方面的，比如地面上的操控能力，装载和卸载，系留，操纵性和稳定性，升力的控制等。其中，飞艇升力和重力的平衡是需要重点解决的难题之一，因为飞艇的所受到的浮力在其巡航飞行过程中可以近似认为是不变的，但是它所受到的重力却由于燃油的消耗和有效载荷（人员、货物等）的变化而变化，因此，必须采用某种方法或多种方法的组合来实现飞艇的平衡，才能实现飞艇的爬升、巡航和下降在可控状态下进行。

本文将通过对飞艇的升力构成进行分析和讨论，就历史上及目前常用的实现平衡的手段进行了总结和归纳，从而找出对升力进行控制的方法。

1 飞艇的类型

飞艇根据升力产生的方式，操控的方式，可分为常规飞艇和混合式飞艇两大类。通俗的说，常规飞艇的升力主要来自于飞艇中的气体产生的浮力（又称为静升力），最多8%由矢量推力提供。而混合式飞艇则结合了浮力和空气动力。其中的空气动力可以来自于固定的机翼，或者将飞艇本身设计成升力体，亦或者依靠矢量推力。但是，不论是常规飞艇还是混合式飞艇，都可以分为硬式飞艇、半硬式飞艇和软式飞艇三类。前两类也成为压力飞艇，因为飞艇的外形主要是依靠内部气体的压力来维持的。硬式飞艇顾名思义，其中有内部的机身结构来维形，并承受气体压力和外部载荷。

一般认为，非硬式飞艇的有效载荷应不大于30 吨，因为超过这个数量级，作用在飞艇纵向上的尖峰载荷对飞艇的粘合力是很大的考验。这一点，从历史上的飞艇中也可见一斑。历史上最大的软式飞艇莫过于ZPG-3W，它在冷战期间被用作预警机，它的最大有效载荷是5153kg。而著名的兴登堡号飞艇，它的有效载荷是9560kg，这主要得益于它使用氢气提供浮力，如果使用目前比较常用的氦气来产生浮力，则有效载荷为-15841kg。当然，也有上述说法例外，例如根据简氏的信息，HAV 366 和HAV 606 的最大有效载荷分别可以达到50 吨和200吨，但是它们都是混合式软式飞艇。

但是，对于本文所述的大型载重飞艇而言，采用混合式硬式飞艇。

2 飞艇的升力构成

2.1 浮力

浮力的产生主要是依靠飞艇内部所充气体与外界空气的密度（1.292kg/m3，为方便起见，本文提到密度时，均取用常用数据，暂不考虑高度、温度和大气压力对密度的影响）差而产生的。目前，飞艇使用的升力气体主要是氦气。但是，这并不意味着氦气就是唯一可以充入飞艇内部产生浮力的气体。下面分别对其它各种气体进行讨论，说明利弊。

氢气：

氢气（密度0.090kg/m3）作为目前已知的密度最小的气体，既廉价又容易制备，理应成为飞艇最理想的浮力气体。但是由于其极易燃烧，FAA 禁止其作为飞艇的浮力气体，再加上兴登堡号的灾难，在人们心中留下的阴影难以抹去，氢气才逐渐被氦气替代。然而，由于近年来氦气价格的不断攀升，氢气作为一种浮力气体再次被提出，为了避免其可燃性对飞艇造成的灾难，将其封装在氦气内是个不错的方法。

甲烷：

甲烷（密度0.656kg/m3）是天然气的主要成分，也是易燃气体。甲烷作为浮力气体最大的优点是其既可以作为浮力气体，有可以为动力装置提供燃料。在它作为燃料燃烧的过程中，飞艇减小的浮力等于减小的重量，因此在巡航状态不需要额外的方式来平衡。

氨气：

氨气（密度0.73kg/m3）与氦气相比，沸点较高（-33.34℃），可以很容易被液化（液态密度681.9 kg/m3），从而变为压舱物。而且，氨气价格便宜。缺点是，氨气作为有毒气体，一旦泄漏，被吸入后危险极大。

其它的可作为浮力气体如水蒸气、氖气、氮气、热空气等都可以提供浮力，但是缺点众多，不予考虑。对大型载重飞艇而言，氦气仍然是理想的浮力气体。

2.2 空气动力产生的升力

空气动力产生的升力一般是藉由升力体机身产生，虽然一些非常规的设计也可以在龙骨上加装机翼产生升力。

2.3 推力矢量

推力矢量通常由螺旋桨或者涵道风扇提供，可以显著提高飞艇的性能。在现代飞艇上，基本是一个标准配置。推力矢量既可以提供升力，也可以提供向前、向后以及向下的力，因此被用来操纵起飞、着陆，以及提高低速时的操稳特性。

因此，一般在大型载重飞艇的升力中，浮力（静升力）占约60%，由空气动力学产生的升力提供40%的升力，推力矢量提供25%的升力（当然，也可能是提供25%升力的压舱力）。

3 飞艇的升力控制方式

由以上飞艇的升力构成分析可以得出，控制升力的方式包括如下几种。

3.1 改变升力气体的密度

可以通过对气囊里的升力气体（氦气）加热，从而减小氦气密度，进而提高升力。反之亦然。

但是，似乎很难得到如此大量的热源。例如，在1000米高度，如果要使氦气的密度增大6 倍，则需要将其温度从282K 降到47K，这显然是不容易实现的。

另一种改变气体密度的方法是对氦气进行加压/减压，将在后面说明。

3.2 使用压舱物

飞艇也可以用大重量的物体作为压舱物，通过抛弃或者收集额外重量的方法来实现对升降的控制。通常用作压舱物的有水、油或者沙。

在兴登堡飞艇上，曾使用雨槽来收集雨水。二战时，LZ-120 飞艇曾经降落在水面上，并汲水将其作为压舱物，但结果并不令人满意。也有些使用干燥剂从空气中吸取水分增加重量，也以失败告终。

比较有希望的一种技术是从发动机排出的尾气中通过制冷的方法收集液态水，以补偿燃油燃烧失去的重量。很多飞艇都使用过这种方法，包括ZR-1，ZRS-5，齐柏林II 等，国内也有类似的专利技术。主要的问题是，制冷设备的防腐蚀。

3.3 排出升力气体

通过排出氦气减小升力，这是早期飞艇常用的手段，但是随着氦气价格的不断攀升，已经很少使用这样的方法来控制飞艇了，除非是应急状态。

3.4 矢量推力

矢量推力在飞艇上的使用已经很广泛，可以支撑相当比例的飞艇重量，目前比较成功的齐柏林NT 飞艇就是一个典型的例子。通过矢量推力和燃油补偿箱的共同使用，基本可以不使用压舱物了。

3.5 压缩升力气体

对压缩氦气的方法控制升力，研究人员的看法是有分歧的。Mowforth 和Burgess 在他们的著作中均表示不可行，主要是因为储存压缩氦气的压力容器和压缩机的重量增加无法承受。但是另一方面，又有很多公司声称他们将该技术应用到了他们的飞艇设计中，包括最新试飞成功的Aeroscraft 公司的飞艇验证机。

正是因为有这样的分歧，该技术才值得更深入的进行研究。