飞艇难登平流层

　　1937年，德国兴登堡号飞艇坠毁的惨剧标志着飞艇黄金时代的终结。60年后，五角大楼试图将低空飞艇提升到更高的平流层，并将几艘这样的飞艇组成一个强大且便宜的网络。 　　 　　无论是种类还是飞行高度，飞艇的发展远远不如飞机，但除了作为一个大广告漂浮在空中吸引眼球之外，飞艇的任务也不少。例如在2004年雅典奥运会上，人们动用飞艇协助警方抓获疑犯，配合交警疏导交通，替代裁判全程盯着马拉松赛程。 　　早在20世纪70年代末，美国海军就使用低空飞艇长时间在空中对掠海低空的飞行目标进行监视。但低空飞艇速度慢、受天气影响大，很容易被人打下来，用着也不那么方便。因此，人们设想可否把飞艇升到数十千米高的平流层去。这种“平流层飞艇”（High Altitude Airship）便能看得更远，只要几艘，它们的视野便能覆盖一整个国家。 　　 　　漂浮在平流层的航母编队 　　平流层处于地表以上12～55千米处，阳光强烈，空气稀薄且风力稳定，对于这样大气球来说这是不错的漂浮地带，只要动力足够，也许它能漂上两三年而不落地。在平流层之外便可称为太空了，也就是说，平流层飞艇在仅次于卫星的高度上连续工作，不妨碍飞机，更不用怕鸟儿的骚扰。 　　美军前后投入了4000万美元在平流层飞艇上。在“9•11”之后，他们制定的“HAA”计划正式启动，它设想利用10艘长达250米的飞艇组成编队，它们分别携带重达1.814吨的巨型望远镜、合成孔径雷达这类的情报搜集系统，监视并拦截一切飞向美国本土的弹道导弹和其它空中威胁。这个计划最早是由前国务卿黑格将军提出，下野之后，他以喷气动力学专家的身份全力投入美国SSI(Sky Staten Internationa1)公司，继续推进平流层飞艇的事业。 　　平流层飞艇在军事上的价值也许不仅止于被动防御。“海象”是另一艘五角大楼正在研制中的空中飞艇（见本刊2006年第12期）。这种与日本自卫队合作研制的武器可能主要用来对付中国或伊朗的潜艇。 　　平流层飞艇的长时间悬空使得它具有可媲美卫星的能力，用几艘平流层飞艇，我们可以组成一个通信平台，以取代地面上复杂的发射塔，和更高处昂贵无比的人造卫星。对于那些边远得不可能单拉线缆的乡村来说，平流层飞艇最有可能为他们提供便宜且高速的信息服务。日本航空航天技术研究所正在试图用15艘平流层飞艇组成的通讯网来覆盖整个日本。 　　保守估计，每一个飞艇基站作用的距离是地面基站的20倍。当发生类似2008年的雪灾和汶川大地震时，地面基站极可能被悉数破坏，但飞艇的工作不会受到任何影响。 　　这样一个平流层通信平台，每隔几年返回地面补充一下氦气，修理和补充通信设备，即可工作长达10年。它的放飞、回收和日常监测也很简单，就像一般民航系统的作业一样，不需要庞大复杂而烧钱的发射基地。总体算下来，平流层通信平台的成本很低，只有地球静止轨道通信卫星的1/10，是光缆通信的1/5，用户资费相当于普通电话资费价格。对于发展中国家来说，平流层通信也是让它们迅速赶上发达国家的机会。 　　我国于1998年即投入了平流层平台研发，并在枣庄建立了平流层飞艇生产基地。目前，由航天068基地近空间飞行器研发中心研制的JK-20遥控飞艇，已经在湖南桃源机场试飞成功。中科院光电研究院气球中心气球研究专家姜鲁华研究员认为，中国仅需要4艘超大的平流层飞艇，就能建立全方位的通信平台。 　　 　　难造的气球皮 　　能创造廉价通信平台的平流层飞艇，所需要的技术支持却不廉价。飞艇是利用轻于空气的气体为介质的浮空器，自兴登堡飞艇失事后，大家多用氦气替代易燃烧也易泄露的氢气来提供升力。但平流层的空气密度是如此的小，气压不到地面的1/10，空气密度仅为地面的l/l4。如要飞升至20千米高空，即使携带很少的有效载荷，也需要把飞艇造得跟一个棒球场一般大小才能获得足够的升力。 　　而且，若需要连续数年停留，对飞艇的材料要求甚高。以日本直径60米，重30吨的飞艇为例，其外膜不仅要强度超高，还要尽量轻，以避免增加动力负担。外膜材料还必须具有抗辐射、耐候性和阻氦气渗漏性，以对付平流层昼夜温差极大、辐射高、臭氧高的气候特征。 　　日本人曾经用一艘造价达6亿日元的平流层飞艇测试了材料的性能。它的最大直径只有12米，长为47米，其外膜材料采用了极轻的强化纤维制成，足以承受从地面到高空的气压差，而本身重量却只有500千克，浮力高达以往飞艇的20倍。2002年，当它在日本升空，立刻扶摇直上16.4千米高空。随后，地面上的科学家通过遥控让艇体破裂，以测试氦气逸流出薄膜的数据。最后，人们在日立港以东40公里的水面终于再次找到它。这是飞艇史上第一次到达如此高度的平流层的试飞，而且它还为飞艇外膜材料的制作采集了数据。 　　但是，仅仅飞上平流层是远远不够的。当防空导弹刺穿云际，这些足有两个足球场大小的飞艇不啻是它们最好的练习目标。拥有钢筋铁骨的巨型航空母舰在遭遇一定程度打击之后仍能漂浮于海面，而这些平流层飞艇一旦被雷达发现，则只有沦为“气球射击”的活靶子。 　　那就尽量躲起来吧，材料专家尝试把隐形飞机的技术移植到平流层飞艇上。来无影去无踪的B-2轰炸机和F117战斗机的机身材料能够依靠吸收和反射雷达波，同时它们能够降低对太阳光的反射和自身的红外发射，或改变其辐射方向，而使自己在雷达屏幕上小到足以迷惑对方。美军高空飞艇（HAA）也同样考虑采用了这种柔韧的纤维复合材料来实现隐形。另一方面，为了对付间谍卫星这样的“太空巨眼”，材料专家也设想使用让光线不会反射而是沿着其表面继续向前的“超常介质”（见本刊2009年第1期《纳米织造隐身衣》）来实现“视觉隐形”。 　　 　　来自空气与阳光的动能 　　无论是用于军事武器还是用作通信设施，平流层飞艇显然都不同于孩子们眼中渐行渐远的五彩气球。这个也许有两个足球场大小的大家伙，需要依靠一套复杂的动力系统和能源系统才能在空中行动。 　　主要依靠浮升气体产生的浮升力上空的平流层飞艇，同时也需要发动机产生的动升力以供其达到一定的运动速度。而且，当浮升力随着高度的增大而减小时，再大个儿的平流层飞艇也必须借助动升力的推进。 　　因此，科学家们考虑从随处可得的空气中直接获得动力，一种被称为大气离子静态推进的技术应运而生。这种技术依靠等离子束和等离子波对飞行器进行驱动，它最初被用于卫星航道的矫正。当德国Festo公司设计出一款名为b-IONIC Airfish的梭形飞行器时，人们才真正得以将空气中的能力转化为推动飞艇直上平流层的推力。这种梭形飞行器工作时，高达3万伏的直流电将带有负电的电子从空气中抽出，并且分离出正负离子，由此使正离子获得加速度，产生时速达到35千米的离子束，带动空气产生推力。 　　而产生这3万伏直流电的能量，则也许主要来自阳光。其实，平流层的大气密度太低，很难支持燃料的燃烧，一般的燃油式发动机无法工作。但空气稀薄则让阳光不受阻碍，这里的太阳辐射大约为1280瓦/平米，接近在太空中的日光利用率。我们有可能最大限度地利用太阳能来支持平流层飞艇的活动。 　　15年前，德国斯图加特大学航空工程计算结构力学研究所研发的LOTTE-2飞艇，参加了澳大利亚有名的“世界太阳能挑战赛”，它靠太阳能在4天内飞行了330千米，证明了这条思路是可行的。但主要的问题是晚上怎么办，总不可能靠月光吧，目前的考虑是把太阳能电池与再生燃料电池以及锂离子电池组合成一套混合能源系统。 　　平流层飞艇的设想固然很妙，但外壳材料，以及能源供给的问题尚未彻底解决，目前还没有飞艇真正地在平流层稳定地工作过。这让不少投资者也失去了耐心，撤出这个项目。但专家们还是估计在2020年，平流层飞艇将真正地升上去，成为天文爱好者们能观测到的有趣目标。