2020-2024年中国临近空间飞行器的分析

2020-2024年中国临近空间飞行器的分析

我国平流层飞艇研发进展

一、宽艇体平流层飞艇即载重样艇

2018年5月28日，达天飞艇公司牵头组建的“平流层飞艇联盟”联合研发的宽艇体平流层飞艇即载重样艇在宁夏回族自治区试飞。

该次试飞的CA-T24R型飞艇是一艘缩比艇，试飞过程中，模拟起降和检验试飞共7个架次2小时，试飞取得成功。虽然飞行时间只有短短两个小时，却在国内平流层飞艇界引起了不小的震动。

该次试飞成功的达天CA-T24R型飞艇外形采用了三囊宽体的设计。这样的设计在静浮力基础上增加了气动升力，结合了传统飞艇技术和固定翼、旋翼机和矢量推进等技术，使飞艇的操纵特性和稳定特性得到了一定的提升。

而且，宽艇体上表面宽阔，可铺设更多的太阳能电池，有效接收太阳能辐射，转化更多电能。其有效面积和时间都大于常规形式和英国Airlander10的飞艇。这一设计外形是早在2003年我们与英国飞艇专家达成的共识。同时，该飞艇的外形及气动设计完全是中国“智造”，多项创新和专利得到验证，是完全属于中国人的自主知识产权。

除了外形的变化，面对平流层飞艇的瓶颈问题，达天飞艇公司也同样提出相应解决方法，并在此次试飞过程中得到验证。

首先，他们最大限度地考虑因平流层氦温差引起体积膨胀时飞艇所能提供的最大冗余空间，并保证在平流层时压差在容许范围之内；而且，在驾驶过程中，工作人员通过改变飞艇的俯仰姿态来达到保持高度的目的，昼间操纵飞艇保持一定俯角飞行，夜间则操纵飞艇保持一定仰角飞行，宽体平流层飞艇和载重艇通过移动式配重、尾翼、全动式前翼（鸭翼）等创新性的设计，有效保持正常飞行以克服由于氦温差产生的高度变化和压力变化，达到浮重平衡。

此外，自主研发的电动机让飞艇在不同时段和不同高度面临不同风速时保持推阻平衡。而面对能源问题，分析表示，随着科技的进步和储能电池的发展，飞艇所需电能能够得到满足。

目前，试飞成果对结构设计及制造工艺等方面存在的问题进行了很好的验证，取得了丰富的重要数据和宝贵的经验，对后期该公司改进和提高其他飞艇的性能奠定了良好的基础。

达天飞艇公司将在样艇的基础上继续修订设计方案，制造CA-T320S型验证艇，从整体结构上进行验证飞艇的平稳性和升力，并验证创新点移动式配重、全动式前翼、尾翼、发动机等的安装方式和安装位置是否合理。然后，对于能源平衡的验证和对飞艇材料超热超压状况时氦气的浮力变化进行验证。

不仅民营企业正在勇攀平流层飞艇的“高峰”，中科院光电研究院对于平流层飞艇的研究也正在如火如荼地进行。平流层飞艇也在2016年被中科院列入“十三五”60

项有望实现跨越发展的重大突破。根据规划，中科院将设计研制长航时、长驻空动力飞行平流层飞艇系统，突破系列核心关键技术，成功实施2万米高度驻留试验验证，在国际上率先掌握在平流层高度具备一定载荷能力的可控飞艇作业平台技术。

二、仿“僧帽水母”平流层飞艇

2019年8月，来自国防科技大学空天科学学院的创新团队，在国际上首次提出了受僧帽水母生物启发的“平流层飞艇仿生设计方法”。这一研究，有望打造能在临近空间长期驻留、稳定运行的平流层飞艇。

受僧帽水母依靠浮囊体、鳔和气腺协调控制浮力与压力这一现象的启发，国防科技大学团队成功解决了现有平流层飞艇“主副气囊”和“单囊体”技术方案中，环境热效应下浮力与压力协调控制难题。

团队以僧帽水母为仿生对象，以形态仿生设计了囊体气动外形。与常规气动外形相比，典型工况下可提高升阻比70%以上，增加有效载荷300-800公斤。同时，通过功能仿生首次提出了多囊体和热调节气囊新概念方案，解决了平流层飞艇在临近空间中“热胀冷缩”可能带来的蒙皮破裂和“超重”问题。飞行仿真试验和技术验证艇飞行试验表明，热调节气囊体积比为10%时，环境热效应下囊内最大压强可降低9.6%，这为浮力与压力协调控制难题提供了有效方案。目前，该创新成果已申请国际发明专利1项、国家发明专利3项。

临近飞行器细分领域发展展望

随着临近空间浮空器相关技术的进步，以及飞艇和平流层卫星等平台的试飞验证，临近空间飞艇将在未来数年内实现留空1个月直至1年的可控飞行，并将以其为平台构建具有区域和广域覆盖能力的临近空间信息系统，将与平流层卫星、太阳能无人机为平台的任务系统形成相互协同，形成20-30km高度持久信息支援与服务能力，使得未来的信息传输和个人通信更加廉价和方便。

临近空间飞艇一方面作为一种重要的空中平台，在国防、安全、通信以及“一带一路”重大信息保障工程方面将发挥重要作用，另一方面其处于航空航天高端制造产业链顶端，具有很强的产业聚集作用，可带动新材料、新装备、能源、信息、电子等产业的发展，对于我国的产业升级具有重要的促进作用。目前，该类型飞行器国内外均在同步发展，国内技术成熟度与国外无明显差距，部分核心技术具备自主开发能力，有利于形成自主知识产权，具有领先世界先进水平的基础，对我国飞行器发展具有标志性意义。