高空飞艇面临的几项技术难点

　　高空飞艇是依靠浮力升空、动力推进，并携带任务载荷，在特定区域实现长时间驻留、可控飞行的浮空飞行器，属于航空飞行器的范畴。高空飞艇的升空高度一般在12～30千米左右。由于高空飞艇具有驻空高度高、载重量大、留空时间长、可重复使用等使用特点，因此，高空飞艇可执行长航时对地观测、战略预警、区域监视、通信中继等使命任务，是我国未来重点发展的战略产品，世界上许多国家都在积极发展。 　　高空飞艇也是一种高技术、高创新、高难度的浮空飞行器，具有各系统紧密耦合、相互制约，重量体积巨大，质量、惯量变化显著，热力、动力耦合严重等特点。高空飞艇的研制更是一项复杂的航空系统工程，它涉及总体、气动、结构、能源、动力推进、飞行控制、航空电子、巨型复合材料结构及成型工艺等多个专业领域。从目前世界各国高空飞艇发展现状以及多个高空飞艇项目不断调整或取消研制计划来看，高空飞艇还面临着诸如总体设计与系统集成、特殊气动问题、飞行控制、气囊材料、能源、动力推进等多项技术挑战。下面主要针对高空飞艇面临的气动、结构强度以及飞行控制等几项技术难点进行重点论述，并不涉及气囊材料、能源、推进系统等基础工业产品面临的问题。 　　气动分析技术 　　由于飞艇特殊的外形、结构及所处的复杂环境，其空气动力学特性与传统的飞机空气动力学特性不同，同时飞艇是轻于空气的飞行器，主要依靠浮力升空，其重量主要由浮力平衡，因此其飞行原理与飞机也不同。正是由于飞艇与传统飞机空气动力学及飞行原理的差异性，使得飞艇的气动分析技术不能完全借用飞机的气动分析技术。 　　（1）气动特性计算与分析 　　高空飞艇一般为软式或半硬式结构，飞艇外膜在外围流场作用下会有较大变形，现有的估算方法已经不适用于飞艇。即使将其当作刚体，采用常规的飞机估算方法也有较大差别。为更好研究飞艇飞行的力学特性，关键是要能够了解结构变形与气动力的相互作用。由于目前尚无统一、合适的柔性体模型试验的相似准则，所以只能通过计算与分析来研究柔性体模型与刚体气动力的差异。虽然计算流体力学与计算结构力学都已取得很大的成功，但将两者耦合计算，仍有很大的挑战性。如果再考虑飞艇浮力变化、重心变化、大气环境变化等，其复杂程度会更高。因此需建立全面、准确的包括大气环境、浮力、固体、流体等的多物理场耦合模型。 　　（2）气动参数辨识 　　无论是计算或风洞试验，其结果的准确性最终都需通过飞行试验确定，但直接测量飞行器的气动特性是非常困难的，比较常用的方法是飞行器的气动参数辨识方法。飞艇的气动参数辨识建模时需考虑浮力、附加质量、附加质量惯性矩以及重心变化等多种因素，因此飞机的气动参数识方法无法完全适用于飞艇。针对飞艇需要建立自己的气动参数辨识模型；同时由于飞艇艇身较大，艇身周围的气流畸变比飞机更为严重，因此飞艇所测的参数如何消除干扰或将干扰降至最低，使测得的参数可以反应飞艇的真实运动状态比飞机更为复杂，因此如何消除艇身等带来的干扰是今后气动参数辨识重点之一。总结起来，飞艇的气动参数辨识存在两方面的工作：建立准确而全面的参数辨识方程和建立精确的运动参数的测量及修正方法。 　　（3）飞艇的操纵性、稳定性计算分析及其判别准则 　　目前，国内外关于飞艇的操纵性和稳定性计算分析主要还是参考飞机的计算分析方法，虽然目前针对飞艇的具体情况，考虑了某些影响因素，但还不全面，尤其是对飞艇操纵性和稳定性判别准则还没有完全一致的标准，需要建立飞艇稳定性的判别准则；同时如何将一些特殊点引入飞艇的操稳计算中将成为研究的难点，比如飞艇的附加质量、附加质量惯性矩、重心浮心等的相对位置关系、大气环境（温度、压力、突风响应、风切变）、飞行姿态的平衡和控制（矢量控制加舵面控制）。只有将这些问题都考虑的比较全面，计算出的结果才能真实反映飞艇的操稳特性。 　　结构强度分析技术 　　高空飞艇在起飞、巡航和下降过程中，需要经过复杂大气环境的平流层和对流层，由于高空飞艇体积巨大，长细比大，易受大气风场、太阳辐射及多物理场耦合影响，导致飞艇姿态不稳定、运动规律复杂、飞艇载荷计算困难，结构强度设计不准确。 　　（1）高空风场中艇体结构的载荷计算 　　在10～15千米高空的对流层区域内，水平风速最大可达60米/秒，湍流度约为20%，高空飞艇易遭受大气湍流（分为连续突风和离散突风）影响。由于飞艇结构的特殊性，借鉴飞机计算方法的计算精度低、误差大。 　　实现高空风场中飞艇突风载荷准确计算，需建立和完善高空大气环境基础数据库与数学模型；根据飞艇的大型柔性结构特点，需考虑飞艇结构对突风的减缓效应，准确的计算飞艇突风载荷减缓因子；飞艇的转动惯量和附加质量较大，需建立准确合理的方法分析附加质量对飞艇突风载荷的影响。 　　（2）高空环境下飞艇气/热/固多场耦合分析 　　高空的热环境包含较多复杂因素，如太阳辐射、红外辐射、强迫对流与自然对流等。运行过程中温度、压力和热等方面的交互影响导致艇体结构性能分析困难。 　　影响高空环境下飞艇气/热/固多场耦合分析技术的难点有：一是缺乏高精度、高可靠性数值计算方法与定常迭代快速收敛技术进行紧耦合求解分析；二是高效、高质量、快速计算网格生成技术不成熟，严重影响了计算效率与精度；三是飞艇气/热/固多场耦合分析技术设计的因素多，需要同时考虑辐射和热传导对结构温度的影响、气体流动、流体与弹性体之间的热量传递、流体对弹性体的压力作用、弹性体在温度和压力作用下的变形、弹性体变形对流体的影响。 　　（3）艇体结构动响应分析 　　高空飞艇惯性大、刚度小、非线性强，使得其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。由于飞艇结构无法提供足够的阻尼，当出现激励时飞艇局部甚至整体结构易产生长时效的大幅振动，危及飞艇结构安全。 　　艇体结构动响应分析难点包括：几何非线性的软式结构固有动力特性分析；几何非线性和局部褶皱的气囊、尾翼等大型软式结构的动力响应分析；非线性柔性支撑刚度和连接刚度下硬式结构动力响应分析；非线性柔性支撑刚度和连接刚度下非线性柔性结构的动力响应分析以及飞艇结构主要阻尼识别及阻尼特性分析。 　　飞行控制技术 　　高空飞艇通常采用电传飞行控制技术，但与常规固定翼飞行器相比，其在使用环境、飞行品质及控制律、执行机构等方面有其自身特点。高空飞艇的飞行控制技术难点主要体现在以下几个方面。 　　（1）高保真运动建模技术 　　高保真运动模型是飞行控制律设计的基础。相比固定翼飞行器，飞艇的运动建模技术发展较为滞后，至今还没有成熟、可靠的建模方法，也几乎没有经验试飞数据。飞艇建模的难点体现在两个方面：一是飞艇的外形和结构通常是不一样的，而流体惯性力直接取决于外形，气囊结构（如囊体内气动的移动、副气囊的充放气等）则会影响到飞艇的重量、重心，增加了飞艇理论建模的难度。二是飞艇作为特种飞行器，由于数量小、投入少，并没有足够的试飞测试数据做支撑，导致理论运动模型的准确性难以评价，也就无法修正并形成高保真的运动模型。 　　（2）强鲁棒盘旋定点控制技术 　　盘旋定点控制技术包括高度控制和位置控制两个方面。高度控制的难点在于飞艇净浮力是随气体温度不断变化。而在实际飞行过程中，温度变化通常未知，因而在高度控制过程中，始终存在净浮力变化的扰动，若不采取切实有效的控制策略，将会导致实际飞行高度发生非常大的波动。盘旋定点控制的主要任务是引导飞艇以适当的航向角和速度在特定位置进行飞行，此过程中，需要适应不同的风场环境。飞艇设计的最大飞行速度通常不会超过40米/秒（无风时）。因此，一旦叠加上风的影响，对飞艇运动的影响都是显而易见的，外加上定点区域的限制，无形中增加了盘旋定点控制的难度。 　　结束语 　　高空飞艇的研制是一项技术难度大、集成度高、极具挑战性的航空系统工程。目前，国外发达国家都在致力于高空飞艇的发展，但总体上仍处在探索性研究和试验验证阶段。国内也非常重视高空飞艇的研发，国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》明确要求：重点发展基于卫星、飞机和平流层飞艇的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统，自2010年经国务院批准启动实施以来，在高空飞艇项目研究方面，进行了大量关键技术的理论分析研究和试验验证，取得了一定的进展，但总体技术水平与国外还有一定差距。 　　如何快速占领这一国际战略新兴的制高点，促进我国高空飞艇研制和应用的发展，不仅需要依托制约高空飞艇发展的气囊材料、太阳能电池及再生燃料电池等基础工业产品的技术发展，也需要对高空飞艇在总体、气动、结构强度、飞行控制等方面存在的难点问题进行认真梳理和研究，对其存在的内涵问题进行更科学地认识，藉此提出合理可行的解决思路。 　　（作者系中航工业首席技术专家、中航工业特种飞行器研究所总工程师）