临近空间飞艇技术难点简析

作者：兰顺正

首发自：远望智库

临近空间飞艇的潜力巨大，其应用场景包括长航时对地观测、战略预警、区域监视、通信中继等。但临近空间飞艇的研制和运行面临着众多技术难点，此类飞行器要想大放异彩还需要跨过不少的门槛。

这是用于研究和评估在地球大气层高层环境中飞行的飞艇的空气动力学特性的技术。

动力学模型建立：对于平流层飞艇而言，其结构布局、飞行机理以及工作模式显著不同于传统飞行器，因此需要开发专门的动力学模型来进行描述。这些模型需要考虑飞艇的外形、质量分布、气动力和力矩等因素，同时还要考虑到平流层环境的特有条件，如低密度、高风速等。

气动特性计算与分析：气动特性分析是理解和优化飞艇性能的基础。由于临近空间飞艇的特殊外形和结构，其空气动力学特性与传统飞机不同，需要建立包括大气环境、浮力、固体、流体等多物理场耦合模型。

气动参数辨识：飞艇的气动参数辨识建模需考虑多种因素，如浮力、附加质量等，且飞艇所测参数的干扰消除比飞机更为复杂。

操纵性、稳定性计算分析：目前飞艇的操纵性和稳定性计算分析还需进一步完善，尤其是判别准则的建立和特殊点的引入。

流场特性分析：飞艇在不同迎角下的流场特性与飞机有显著差异，需要特殊分析以适应飞艇的设计和运行。

这是用于评估和优化飞艇在临近空间环境中的结构性能的方法和技术。随着对临近空间飞艇的研究日益深入，其结构强度分析技术尤为关键，因为这直接关系到飞艇的安全性、稳定性以及有效载荷能力。

高空风场中艇体结构的载荷计算：临近空间飞艇易受大气湍流影响，需要准确计算飞艇突风载荷减缓因子和附加质量对飞艇突风载荷的影响。

高空环境下飞艇气/热/固多场耦合分析：高空环境下的热环境复杂，需要同时考虑辐射、热传导、气体流动等多种因素的交互影响。

艇体结构动响应分析：临近空间飞艇的结构动态特性呈现固有频率低且密集、结构阻尼非线性强等特点，需要进行动力响应分析和阻尼特性分析。

另外，对于多囊体临近空间飞艇，需要特别关注其六自由度位置与姿态动力学模型、环境热力学模型等。这些模型通过动力学输出信息与热力学输出信息的耦合，能够全面反映飞艇在复杂环境中的力热耦合变化规律。这种类型的飞艇设计需要考虑更多因素，如内外囊体的热力学性能及囊体氦气损失模型，这些都是确保飞艇长期稳定运行的关键因素。

这涉及对飞艇在高空长期飞行过程中的姿态、位置和动态进行精确调控的一系列方法和技术。临近空间飞艇独特的飞行环境和应用需求对飞行控制技术提出了新的挑战。

高保真运动建模技术：飞艇的运动建模技术发展滞后，需要针对飞艇的特点进行建模，这增加了理论建模的难度。

复合控制策略：针对多囊体飞艇的特点，需要研究多执行机构的复合控制策略，以便于提高飞艇操作灵活性和可靠性。

总体设计是确保飞艇各系统正确集成并协同工作的基础。这包括飞行器的总体布局、重量与平衡控制、动力系统和能源管理等方面的设计。系统集成技术则关注如何将这些独立的子系统有效地整合为一个协调一致的整体，确保飞艇的稳定运行。由于临近空间飞艇的研制是一项复杂的航空系统工程，涉及多个专业领域，各系统紧密耦合、相互制约，给总体设计与系统集成带来挑战。

临近空间飞艇的气囊材料必须具备极高的强度与极轻的重量。这是因为飞艇需要在低密度的高层大气中保持足够的浮力，同时承载各种仪器和设备。临近空间的环境条件十分恶劣，包括极端的温差、强烈的紫外线和臭氧层影响。气囊材料必须能够承受这些环境因素的长期影响而不出现性能退化。目前的研究方向是采用多层复合材料的设计，这些材料包括高耐候性的外层、高气体阻隔性的内层以及中间的高强力纤维增强层。这种结构设计可以有效地防止氦气泄漏，同时抵御紫外线照射和极端温差的影响。另外还有设想使用具有自愈合能力的材料技术，在材料出现微小裂纹时自动修复，从而延长飞艇的使用寿命。

能源系统设计：临近空间飞艇的能源系统需要满足长时间驻空的能源需求，同时要考虑能源系统的重量和体积限制。高效的能源管理策略是保证飞艇持续运行的核心。这包括了如何有效地收集、存储和使用来自太阳能电池板的能量，以及如何在能量供应不足时调整系统需求。同时考虑到平流层环境的特有条件，如昼夜温差大和紫外线强等，能源系统的设计需要采用特殊的材料和技术来保护敏感部件，同时最大化能量收集效率。

动力推进系统设计：动力推进系统的设计和选型需要考虑推进效率、可靠性和环境适应性等问题。由于飞艇运行在空气密度极低的20km高空，其动力系统需在保持高效率的同时，适应低密度环境的特殊要求。这意味着传统的推进系统可能无法满足飞艇的特定需求。同时有研究指出，飞艇的推进系统在地面测试时因扭矩超限而无法达到高空中的额定转速，这限制了对推进系统动态特性的准确评估和测试。