简述美国高空浮空器的发展情况

摘要：空浮空器是指由充满轻质气体的囊体产生浮力、任务高度处于距离地球表面20～100Km、能执行长期驻留任务的飞行器。无论从军事还是民用上来看，高空气球都拥有极高的经济价值和战略价值，目前已经成为各国争相研究的热点。

关键词：高空浮空器，发展，战略价值

1高空浮空器发展特性

对于常规飞行器来说，临近空间空气过于稀薄，一般航空发动机难以在此高度长期飞行;对于卫星来说，这个高度需要卫星质量太大，不能持久保持轨道运行。因此目前很少有飞行器在临近空间执行长期任务。高空气球携带高效太阳能电池板和蓄电池，为动力和导航系统、机载设备提供持久能源供应，可以在20km以上高空驻留几个月。这个特点使高空气球可以用来进行通信或对很大范围区域进行监测和监视;在民用方面可以代替同步卫星进行通信、电视转播、监视、科学实验，使造价大幅度下降;军用方面可以作为具有军用通信、远程侦查、情报、导航、预警等功能的通用平台。无论从军事还是民用上来看，高空气球都拥有极高的经济价值和战略价值，目前已经成为各国争相研究的热点。

用单个气球携带载荷升空有结构简单、质量轻等特点，是浮空器发展的一个重要方向。平流层气球浮空器有两种类型，分别为零压气球和超压气球。若气球内部任一点压强都大于外界大气压，称之为超压气球;若气球最低点压强等于或小于外界大气压，则称之为零压气球。气球浮空器内部气体温度昼夜温差较大，可能达到50℃。在如此大温差下，零压气球体积变化剧烈，在晚上必须抛掉较多压舱物才能维持足够的浮力。一般零压气球只能持续工作数天。为了获得较长的驻留时间，并在夜晚气体温度降低时体积基本不变，仍保持足够的浮力，较多的高空气球被设计成超压气球。

2美国发展情况

按照美导弹防御局的设计要求，高空飞艇将是一种新型的、无人操纵的未拴系飞艇，要能在2.1万米高的空域游弋，能在美国边缘地区上空滞留一年时间，且无须添加燃料。这个优点是无人机和高空侦察机无法做到的。它使用太阳能和电力发动机驱动螺旋桨，除提供飞艇运行动力外，还能提供10千瓦的动力，以便携带重达1.814吨的监视与通信系统。它的再生的氢燃料电池可为这种未拴系飞艇提供补充的动力源。

巨型飞艇所在的工作高度，空气密度仅是接近地面空气密度的1/20。所以空气静力的扩张对于设计和制造高空飞艇有很大影响。在1.9万米以上的平流层高度，风速比人们在地面上看到的要柔和得多。它既有自主飞行的能力，又有遥控飞行的能力。它有一个飞行推进装置，能在任何时间里飞行。巨型飞艇的起飞、下降和返回都能进行控制。巨型高空飞艇从墨西哥湾的海上各条通道上巡逻至美国西南边境，再返回到华盛顿州。艇上携带的雷达可提供良好的互相重叠的探测覆盖面，探测面积差不多可以覆盖美国整个大陆。在1.9万米以上高度，雷达的覆盖面是一个圆形，直径大约可达1200公里。地面雷达很难探测到在1.9万米高度上的飞艇，因为制造飞艇用的轻型纤维材料具有隐形性能，模糊或减弱了飞艇自身的特征标记。

质量轻、强度高、漏气率低的囊体材料技术是浮空器发展的关键技术之一。为了提高单位体积净浮力，质量轻的蒙皮材料成为人们研究的目标。目前国内能生产的聚氨酯材料可以达到0.06mm厚度，密度约为60g/m2，国外材料厚度可达0.003mm。当气球体积增大时，气体膨胀后气球蒙皮曲率半径变大，使气球蒙皮材料应力增加很快，对于大尺寸的气球，應该采取必要的措施降低应力。

为了使气球能安全稳定工作，蒙皮材料应具有足够的强度。气球蒙皮材料选择要考虑到强度、模量和变形率之外，气球相关的加工能力、耐久性、环境效应甚至价格都要考虑到。一些研究表明在气球蒙皮材料间添加加强筋（外形像南瓜，被称为“南瓜状气球）能有效减小蒙皮变形曲率，从而减小蒙皮应力水平。“南瓜”状气球设计的主要传力材料是加强筋，并且加强筋材料能够在局部减小气球曲率半径，然而南瓜状气球在设计和制造过程中表现出不稳定特性，一些文献研究了不稳定产生的机理。

在一定的任务时间内，如果材料的漏氦率越低，则气球初始充气量就可以减小，从而可以使气球初始设计超压水平减低，减小气球材料应力。影响气球蒙皮材料应力的另外一个因素是囊体材料的初始形状。气球应力最小的外形是使气球变形前和气球变形后形状相同的外形。气球内部充满轻于空气的气体并升空后，低空形状近似于椭球加圆锥形，高空形状近似水滴形，超压较大时为椭球形。美国的F.Baginski研究了气球形状设计的两种方法，并给出了初步形状设计。当高度进一步增加（内外压差进一步增大）、气球处于超压状态时，其形状开始变得扁平。国外为了促进高空气球（包括高空气球）设计技术需求，对高空气球的研究比较深入。国内对薄膜材料受力分析大都合建筑中的膜结构有关。这类结构不是封闭的，与气球变形有一定区别。分析方法多是采用有限元软件计算。对于气球这种体积封闭的大型充气薄膜结构在内外压差作用下的受力情况，国内还没相关研究先例。

3结语

由于浮空器在军事和民用中的多种优点，相关研究工作正在逐渐成熟。而国内研究正在高速追赶国际水平。但由于基础弱、起步晚，要达到国际先进研究水平还有很长的路要走。

参考文献

[1]平流层飞艇的环境控制[J].邓黎.航天返回与遥感.2018（03）

[2]近太空领域发展的背景与动因[J].原野.国际太空.2018（07）

[3]充气膜造型结构的ANSYS软件非线性分析[J].江锡虎，谢步瀛，王恒，陆敬轩.上海理工大学学报.2019（03）

作者简介：仇世文（1985.7—）安徽合肥人，高级工，主要从事浮空器全工艺流程研究