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        《前沿科學》 2008年 第2期

         

        變體飛艇創新技術及其科學意義

        ◆李曉陽

        (珠海新概念航空航天器有限公司,珠海519030)

         

         

         

        摘要:由于現代社會對航空技術的要求不斷提高,以及不可再生能源日漸稀缺、環保條件等因素變化所帶來的需求,飛艇重新成為人們高度關注的飛行器。本文簡要闡述了變體飛艇這種新概念飛行器的科學原理與技術方法,并通過技術比對來分析變體飛艇相對于傳統飛艇的創新點,及其在航空航天等領域應用的重大科學意義。

         

        關鍵詞:飛艇、變體飛艇、航空航天

         

        The Innovatory Technology of Transformable Airship

        And it’s Scientific Significance  

        Hiu Yeung,Li

        (Zhuhai New Concept Aircraft Co., Ltd.  ZhuHai 519030,China)

         

        KEY WORDS:  AIRSHIP / TRANSFORMABLE AIRSHIP / AEROSPACE

         

        Abstract:  Nowadays, with the requirement of aeronautical technology continuously increasing, non-renewable energy resources are becoming scarce and the situations of environmental protection also variously changing, so airships become the most popular aircraft.Thisarticle briefly explains the scientific theory and the techniqueof transformable airship which is a new concept aircraft,andanalyses the innovation of transformable airshipas comparedwith traditional airship in technology, it hasgreat scientific significance in theapplication of the field of aerospace.

         

        前言與背景

         

             飛艇屬于可操縱浮空器,是人類最早的航空器之一,曾有過迅速發展的黃金時代,并且在20世紀初葉一度成為主要的空中運載工具和空戰裝備。由于受當時科技水平和材料、工藝條件等因素的影響,飛艇曾發生過多次重大事故,使得人們對飛艇產生了疑慮。與此同時,飛機技術開始蓬勃興起并迅速發展,在許多方面替代了飛艇的作用。種種原因使得飛艇的發展轉趨緩慢,甚至幾乎從人們的視線中消失。

              由于現代社會對航空技術的要求不斷提高,以及不可再生能源日漸稀缺、環保條件等因素變化所帶來的需求,飛艇的地位與作用得到重新認識和評價。飛艇有許多其它航空器無法比擬的優點,例如可以在飛機或直升機等可操縱飛行器難于達到的高度巡航或懸浮、能耗與費效比低、承載能力強、能長時間滯空或巡航、噪音與廢氣等污染相對較小、起降環境條件要求低、航行平穩等等。于是,大約從20世紀70年代初期起,飛艇再度成為人們關注的焦點,重新崛起的跡象日漸明顯。尤其是近年來,許多國家紛紛投入巨資加緊研制不同應用目的的現代飛艇,目標升限和工作區域,大多指向平流層區間的近太空高度。

               然而,人們重新關注飛艇至今又過了近40年,這期間也正是人類科學技術突飛猛進的一個歷史階段,可以為現代飛艇研制所用的新技術、新材料、新工藝比比皆是,人們的確也作了種種努力,但為什么至今仍沒有人們所期望的、達到或接近現代飛艇目標的飛艇,尤其是能在平流層區間作業的飛艇出現?原因何在。

              資料顯示,目前各國正在積極實施的各種平流層飛艇計劃中,只有美國“攀登者Ascender”技術驗證飛艇2004年曾在無任務載荷的條件下,升到約30000米的高度。但接下來在2005年初進行的兩次實驗卻失敗了。其中最主要的原因是飛艇還沒升到預定的高度,艇囊就因超過正壓極限而發生了爆炸。這種爆炸與歷史上飛艇爆炸有本質上的不同,是物理變化而非化學變化,因為“攀登者”飛艇填充的是氦氣而不是氫氣。筆者認為,問題的根源在于“攀登者”飛艇采用了常規飛艇囊體構造方案,而“攀登者”所用的囊體材料卻不能克服這種構造所帶來的局限。類似案例,在當前世界各地的“浮空器熱”中時有所聞。

              各國正在研制或已經投入試運行的諸多現代飛艇,雖然在氣動布局、材料與結構、自動化程度、能源和熱交換方式以及控制技術等方面都各有所長,并且相對于傳統飛艇都有了明顯的進步。但在總體構造尤其是在艇囊形式上,各國仍普遍采用傳統飛艇的軟式、半硬式或硬式方案。以軟式飛艇方案居多。為便于說明,本文將艇囊由主囊與副囊構成、囊體容積一定、需要用充放空氣來調節高度和壓力的飛艇,統稱為常規飛艇。

              常規飛艇主要特征在于:艇囊由主囊與副囊構成,主囊容積在宏觀上是固定不變的,因此排開空氣的體積也基本不變。副囊用于儲存或者排出空氣,調節主囊因外部氣壓變化而導致的內壓變化,在飛艇升限范圍內保持主囊與艇外氣體的壓差,并在維持外囊形狀的同時調節飛艇的凈靜升力以改變航高。這種19世紀70年代由法國人發明的技術方案看似簡單,卻是飛艇發展史上的一個重大突破,解決了當時氣球和飛艇發展遇到的大難題,并且一直沿用了近140年,直至現在。

              與所有的浮空器一樣,飛艇浮力的獲得可以用阿基米德定律來解釋。艇囊構造與性能、凈靜升力可控變化范圍的大小,是決定飛艇綜合能力的最基本條件。常規飛艇方案的局限在于: 對艇囊材料要求很高,而且只有通過調節副囊中的空氣量和增減艇載配重(例如水、沙袋、壓鉛等),才能實現對飛艇起降、航高、載荷等的控制。傳統飛艇副囊的空氣容量、吸入或排出空氣的速率總是有一定限度的,這個限度和艇囊材料特性決定了飛艇在垂直方向的運動能力和能達到的最大高度。對于早期的各類飛艇來說,這種局限影響并不明顯,因為它們通常只是在中低空作業。但要使現代飛艇升空達到平流層中上部這樣的航高,還要求飛艇具備垂直方向的運輸能力等多種作業能力,那么常規飛艇方案的局限性就會凸顯出來,尤其表現在對艇囊材料的極高要求上。

             將來當然可以研制出足以應對強度要求的艇囊材料,事實上人們正朝這方面努力。但可能又會帶來一系列更復雜的問題,例如重量、性價比與費效比、維修養護難度,制造與使用成本等等。而且,對艇囊材料的極高要求也僅僅是常規飛艇局限性的表現之一,即使能解決艇囊材料問題, 常規飛艇局限性導致的其它問題也會接踵而至。

              許多相關文獻對各國正在研制的各種飛艇作了詳細介紹和討論,本文不再贅述。雖然各國飛艇在局部和細節上集成許多先進技術,但由于這些飛艇在基本構造上仍然是常規飛艇模式,浮力與航高變化的調節方法沒有改變,因此就不可能擺脫常規飛艇方案的局限,難于從根本上有效地突破現代飛艇發展的瓶頸。

              顯而易見,由于現代飛艇的研制目標和評估要求,已遠遠超過傳統飛艇設計思想所能達到的極限。如果繼續沿用常規飛艇方案,沒有突破局限的創新方法來綜合解決問題,那么現代飛艇的研制仍會事倍功半和得不償失,甚至停滯不前。

              本文所述的新概念變體飛艇,就是溯本求源,另辟蹊徑,從最關鍵的艇囊構造組成入手,以全新的設計思想和在現階段科技水平條件下能夠實現的方法,綜合解決現代飛艇研制面臨的種種難題,以期給現代飛艇的發展帶來質的飛躍。

         

        1  變體飛艇的基本構造與技術原理

         

        1.1 變體飛艇及其基本構造

         

               變體飛艇是中國人在20世紀末提出理論和開展相關科學實驗、并在2006年獲得中國和美國發明專利權的新概念飛艇。這種新概念飛艇從根本上改變了常規飛艇的設計思想,其囊體容積能夠根據需要進行可控或自適變化,其凈靜升力無需利用副囊空氣來進行調節,對囊體材料的要求與常規飛艇不同,在現有條件下容易解決。因此能夠突破常規飛艇方案的局限,使飛艇進入平流層或者更大高度的難度顯著降低。此外,變體飛艇外囊的分段硬式板塊結構,使得在外囊表面大量涂敷柔性太陽能電池變為簡單可行,而太陽能正是飛艇在平流層或更大高度長時間工作時,目前條件下唯一能有效利用的可再生能源。

              變體飛艇按應用目的,可分為徑向變體和縱向變體兩大類型,填充氣體為氦氣或氫氣,兩種類型的變體飛艇構造不同。同類變體飛艇如果采用不同的填充氣體,局部構造也會有所不同。

              變體飛艇創新技術涉及諸多方面,本文以氦氣艇為例,僅討論變體飛艇結構要點及其科學意義。

              變體飛艇的主要特征在于:能夠控制艇囊截面按預定規律發生幾何形變(或者控制艇囊分段艙體沿縱向伸縮變化),使艇囊容積發生變化;艇囊容積有高倍率的可控與自適變化范圍;內囊下部設有對內囊回收或釋放氦氣的定容積低壓氦氣倉;沒有空氣副囊。

            

              變體飛艇的外囊由曲律與形狀相對固定的硬質或微彈性囊片,通過動連接組合而成,囊片并不要求具高抗破損能力,故其材料來源廣泛(例如碳纖復合材料、凱夫拉復合纖維等);填充氦氣的內囊受到外囊的保護,不直接與飛艇外部環境接觸,材料選項也很多(例如普通PU薄膜等)。

              如圖1所示。以徑向變體飛艇為例,囊體可變構架由碳纖或輕金屬材料制造的縱向、徑向部件組成,徑向構架各組件關于縱向軸的中心對稱,其中一些徑向組件可以沿徑向伸縮。囊體構架沿飛艇縱向等距(或不等距)分布,兩兩之間形成一個獨立的氣室。每個氣室的內壁連接一個內囊,內囊與內囊之間通過一種特殊的方式連接,使各內囊的氣體能夠對流或隔離,各內囊的囊內壓力能夠根據需要進行同步或單獨控制。各段囊體構架組件同步聯動。

              圖2給出了變體飛艇囊體各部分的組成,以及外囊柔性連接點、囊體構架動節點的動作狀態。囊體的組成是:1、弱彈性外囊;2、內囊;3、輕質可變構架;4、外囊柔性連接點;5、可變構架的動節點。6是涂敷在艇囊表面的柔性太陽能電池,并非外囊的組成部件,與囊體構造無關。

              從圖2和圖3所示的艇囊截面幾何形狀可知,在截面積從最小過渡到最大的整個變化過程中,組成外囊的獨立板塊,其縱截面曲率和整體形狀(圖2所示,兩個動節點之間曲率固定的部分)都沒有發生改變。因此,附著在外囊板塊內外兩面、與外囊板塊同步運動的太陽能電池及可變構架、內囊等也不會發生形變。這種結構,使得變體飛艇無論是在升降、懸浮時還是在航行中,其囊體容積都可以根據需要(由艇載低壓氦氣伺服系統配合調節和維持囊體內壓值)作很大范圍調整,并且隨時可以鎖定在某一個所需的容積量上。也就是說, 在起飛重量不改變的條件下,變體飛艇的靜升力和凈靜升力都有很大的可控變化范圍。徑向變體飛艇容積變化范圍可達0-8倍,縱向變體飛艇則可達0-200倍或更大的容積變化率。同時,由于變體飛艇采用艇載低壓氦氣伺服系統來配合變體,調節和維持囊體內的壓力保持在一個預定值上(例如保持正壓為103%-105%),這就使得囊體容積足夠大的飛艇可以輕易上升到平流層區域,而不用擔心囊體發生爆炸。這個特性是變體飛艇的主要創新點之一, 也是變體飛艇與常規飛艇最根本的區別所在。

         

              此外,變體飛艇只對囊體材料密度有要求,對抗拉強度要求不高,因此可以采用各種適合高空環境的常規材料。這個特性,使飛艇的制造成本和加工難度顯著降低,并能夠在高空環境中長時間工作。

              在浮空器序列中,只有用彈性或柔性材料制造的各種氣球才具備可變容積條件,浮空氣球也因此能升到很大的高度(目前熱氣球最高升空紀錄,是美國人在1961年創造的34668米)。氣球囊體容積的變化倍率、囊體材料特性是它能飛多高的決定因素。但,浮空氣球的不可操縱性和它只能用易老化變性材料制造、極易破損的先天不足,決定了它不能替代飛艇的作用??梢钥闯? 變體飛艇顯然兼具了飛艇和氣球兩種不同浮空器的長處。

        1.2 變體飛艇的技術原理

         

               圖3、圖4給出了徑向變體飛艇截面可變構架幾何形變,使囊體容積發生變化的原理和狀態。

               如圖所示,徑向變體飛艇的變體系統由囊體、若干組同步聯動的可變構架、艇載定容積低壓氦氣倉、傳感器組、終端處理器等組成。

              變體飛艇從地面起飛時,其艇囊容積初始狀態所獲得的浮力與起飛重量配平。在變體伺服控制系統作用下,當需要增加飛艇的浮力升空時,伺服控制系統指令艇載定容積低壓氦氣倉中的預存壓縮氦氣向飛艇內囊填充,此時正壓逐漸大過負壓。由于負壓與正壓總是趨向平衡,推動艇囊帶動可變構架發生幾何變化(這個過程中,徑向構架始終保持關于縱向中心軸的軸向對稱),使得囊體膨脹而浮力增大,飛艇上升。在此過程中,囊體可變構架隨時可以鎖定在某一幾何狀態,從而鎖定囊體容積的大小。

               當變體飛艇的浮力需要減少時,伺服控制系統以一定的壓縮率將內囊中的氦氣抽回艇載定容積低壓氦氣倉。此時,由于負壓逐漸大過正壓,變體飛艇內囊中的氦氣壓力逐漸低于艇外的大氣壓力而形成壓差,此壓差趨向于收縮變體飛艇的囊體,并且帶動可變構架沿徑向方向向內收縮。于是,使得囊體縮小而浮力減小,飛艇下降。

         

         

              變體飛艇技術的重要意義在于:

              1、變體飛艇航高能達到大氣層可利用空氣密度的極限,并且其航高不再受現有囊體材料及相關技術的限制。有巨大的可持續發展空間。

              2、可以在不改變起飛重量的條件下,根據某一高度的空氣密度來決定艇囊容積的大小,使飛艇能夠在這一高度懸浮或巡航,提高飛艇在垂直方向的定位懸浮能力和該高度水平方向的運動能力。

              3、由于變體飛艇浮力有很大的變化范圍,因此具有垂直方向上的運輸能力。飛艇在地面裝運物資并使其初始浮力與起飛重量配平,隨著體積不斷擴大,飛艇也因其凈靜升力不斷增加而不斷升高,直到其升力與重力平衡的某一高度。于是就可以將物資運送到這一高度。常規飛艇不具備這一能力。

              4、變體飛艇在對流層下部的中低空作業有較快的航速和良好的機動性。因為變體飛艇在中低空時的截面積小,正面阻力也相應較小。

             5、可以在艇身大部分表面涂敷柔性太陽能電池來最大限度地利用太陽能。涂敷式太陽能電池的技術日漸成熟,對飛艇囊體重量的影響可以在設計時通過增大囊體容積來解決。這樣就可以充分利用來自空間任意方向的陽光(例如直射光和側射光、云層和地面反射陽光等)。這個特點對于在非再生資源越用越少、能源緊缺凸現的地球環境中生存的人類來說,意義和前景是十分明顯的。

         

               前文圖1、2、3、4給出的,只是徑向變體飛艇艇囊截面幾何形狀變化的一種形式。如圖5所示,變體飛艇還能以多種變體方式來實現容積變化, 以適合不同的應用目的。

               由上可見,變體飛艇在整個運動過程中,除了燃料消耗帶來的重量變化外(可以相應收縮囊體容積來應對),沒有發生其它的重量變化。這個特性對飛艇的控制十分有利。此外,變體飛艇只需少量能耗來控制浮力變化。反觀常規飛艇,從開始起飛就要攜帶大量的空氣和壓載物,升空過程中還需消耗很多能量來充、放空氣。兩者能量的費效比差別十分明顯。

         

         

        2  變體飛艇的應用探討

         

        2.1 變體式平流層飛艇

         

              平流層飛艇是當今世界各國競相研制的目標,需要解決兩種主要運動狀態所帶來的相關問題:一種運動狀態是在對流層的起飛、降落和航行。平流層飛艇由于體積龐大,在此階段常規平流層飛艇會有許多困難不易克服。另一種運動狀態是在平流層的高空定位懸浮,高空大氣環境對飛艇定位也有諸多影響,例如來自水平方向風的擾動和來自下方上升的熱氣流,以及晝夜溫度變化對飛艇浮力的影響等等。此外,常規方案的平流層飛艇返回地面定期檢修和保管養護時,在地面系留或入庫也有諸多難以解決的問題。

              徑向變體飛艇在上述第一種運動狀態過程中,由于囊體截面呈對稱狀縮小,外形氣動阻力變小,因此在對流層的運動和控制要比常規飛艇具更多優勢。徑向變體飛艇在平流層高空定位懸浮時,采用特殊的高空螺旋槳配合水平風利用方案,因此能有效應對相關問題。

         

             下表給出了變體飛艇與常規飛艇性能的簡要比對:

        項目

        解決方案與效果評估

        常規飛艇

        變體飛艇

        高度控制

        通過充、放副囊空氣來控制高度,反應慢、垂直方向定位不準。

        通過改變容積以改變浮力來控制高度,反應快、垂直方向定位準。

        外形維持

        要用兩種方法來維持飛艇外形:

        (1)充、放副囊空氣;

        (2)改變浮空高度。

        能耗大、周期長。

        變體系統自動適應壓差來維持外形。能耗小,周期短。

        重心控制

        通過充、放前后副囊中的空氣來調整重心位置。能耗大,周期長,效率低。

        用重心自適裝置控制任務艙相對于艇囊的位置,自動調整重心。能耗小,反應快,效率高。

        輔助能源

        主要是太陽能??衫玫牟晒饷娣e小、可獲電量低。

        主要是太陽能??衫玫牟晒饷娣e大、可獲電量高。

        溫差適應

        囊體材料對溫差反應敏感,溫差適應能力弱。

        溫差對囊體材料影響小。溫差適應能力強。

        高空定位

        高空螺旋槳推動飛艇復位,應對因素多、綜合能耗大。

        高空螺旋槳配合水平風利用方案,應對因素少、綜合能耗小。

         

         

        2.2 變體飛艇構建近太空驛站

         

              近年太空旅行成為世界各國的熱門話題,人們期望利用已經具備的能力和條件,把普通民眾進入到近太空或太空旅行觀光的夢想變成現實。各種與之有關的活動越來越多,有的項目已經接近預期的目標。目前正在開展的“廉價太空游”計劃主要有三類:

            (1)亞軌道短時間太空旅行,這方面較為成功的代表作是美國民間的“太空船一號”。方法是用太空船將游客送到距離地表約100公里的太空,停留約3分鐘,不進入繞地球軌道飛行,然后以失重狀態下降返回。失重幾分鐘后太空船降到距離地表約60公里的高度,轉以滑翔方式返回地面。這種太空旅行方式的巧妙之處在于:將成熟的航空技術與航天發射結合以降低成本和風險。用常規飛機將太空船從地面帶到約15000米的高度,再用火箭發射太空船升入太空,這就相當于使用普通飛機燃料來部分代替價格高昂的火箭燃料,從而顯著降低了營運費用。不過,這種太空旅行方式對游客的身體條件要求很高,游客能否承受升空和降落過程中數倍于體重的過載和失重,是能否參加太空旅行的前提。即使身體條件符合要求,出發旅行前還得參加類似宇航員的體能訓練。此外,該方式由于仍然需要利用火箭帶飛太空船,因此還存在較大的風險。

            (2)用常規飛艇構建近太空港站,這方面的代表作是美國的“黑色空間站”。如圖6所示,方法是從地面陸續釋放多艘長53米、寬30米的“攀登者Ascender”V型軟式飛艇,到30000米左右的平流層中上部組建成總長約3000米的漂浮平臺。除了軍事用途和用來釋放太空軌道飛行器、發射深空探測器外,這種平臺也可以作為“近太空旅館”來為游客提供服務。該平臺擬用1500米長的高能重比二次電池組為高空螺旋槳提供動力以維持定位。此外,還擬在艇囊表面敷設太陽能電池,并配置艇載燃料電池來作為輔助動力。

             上文提到,由于構建該“黑色空間站”的“攀登者”飛艇沒能突破常規飛艇的局限,事故頻發,因此該計劃目前進展緩慢。

           (3)繞地球軌道運行的太空酒店,這方面的代表作是美國的“太空充氣式酒店”計劃。該計劃原是NASA太空活動的一個項目,2000年由美國民間資金接手繼續實施。方法是把在地面預制的組件用多枚火箭陸續發射到繞地球軌道,然后在太空中組裝并充氣成為“酒店”。該計劃目前處于技術驗證和縮比模型工程驗證階段,離實用還相當遙遠。

         

              圖7所示的縱向變體飛艇適合用來構建近太空驛站??v向變體飛艇原理如圖8所示??v向變體飛艇的改變容積方式與徑向變體飛艇不同,它是沿著飛艇的縱軸方向伸縮來改變容積的,因此有很大的容積變化范圍。設計時可以根據飛艇作業高度需求來增減變體艙數,從而獲得更大范圍的容積變化率。用來構建近太空驛站的縱向變體飛艇,由于在對流層中主要是通過改變囊體容積來垂直起降,因此囊體氣動外形的變化對這種運動狀態影響不大。此外,縱向變體飛艇的變體構架起到支撐囊體形狀的作用,所以其長徑比可以設計得很大。

              與上述美國“黑色空間站”計劃比對,如果用縱向變體飛艇來構建近太空驛站,顯然要比用“攀登者”常規飛艇更具可行性和優勢??v向變體飛艇的構造與技術特征,更符合近太空驛站設計目的和工程方法對飛艇的特殊要求。

         

         

               如圖9所示。用縱向變體飛艇構建的近太空驛站,除用于二次發射和軍事用途外,也可以用作為“驛站旅館”來接待近太空觀光游客。利用縱向變體飛艇在垂直方向獨具的運輸能力,可用作往返于地面至驛站之間的運載工具,運送游客和物資。往返運載飛艇大多數情況下是在垂直方向低速升降,這正是縱向變體飛艇的強項。而“攀登者”計劃研制中的往返運輸飛艇,仍是常規飛艇方案。該體積巨大的飛艇長達1800米,在對流層升降和操縱十分困難。而且,常規飛艇在垂直方向微弱的運輸能力,是用巨大的能量消耗來換取的。

               與上述美國“太空船一號”亞軌道旅行方案比對,用縱向變體飛艇來運載游客進入近太空驛站顯然具更高的安全性,對游客身體條件的限制、營運成本、旅行費用也會大大降低,因此將有廣泛的客源。游客甚至可以在“驛站旅館”休閑住宿,成為真正意義上的近太空觀光旅游,而不只是沿地面到太空的垂直方向簡單走一回。

         

        2.3 變體飛艇在火星表面探測中的應用

         

              美國NASA火星探測裝置主要有4種不同構想:定點著陸器、火星人造衛星、“漫步者”和升空氣球。定點著陸器是靜止不動的,探測范圍??;衛星離火星表面太遠;升空氣球只能在微風中運作,而火星表面經常有較大風力。

              目前NASA在火星表面使用的“漫步者”探測器有較大的局限性,約為1cm/s的移動速度太慢,這樣的速度不可能完成星球表面探測如此巨大的工作量。“漫步者”在起伏不平和粗糙多石的火星表面移動困難很大。由于信號從火星到地球之間一個來回需要44分鐘,所以在地球上通過視頻圖像傳輸來對“漫步者”進行遙控也很不實際。

              無人飛艇就可以避免這些弱點,并且可以采用更加簡單的智能系統來降低成本、提高探測效率。因此NASA正在計劃,擬利用無人飛艇來作為火星表面的探測裝置。

              用于探測火星表面的無人飛艇,必須能在火星地表低空環境可靠巡航或懸浮,還要求能承載足夠的任務設備來執行探測任務并造價合理。硬式無人飛艇不適合火箭發射的要求。半硬式無人飛艇也面臨相同的問題,而且在火星表面無法展開。目前只有軟式無人飛艇基本上能夠滿足要求。不過,由于火星表面環境對軟式飛艇囊體材料的苛刻要求遠高于平流層飛艇。如果火星探測飛艇用常規飛艇方案,僅就囊體材料而言,在目前條件下還不具備相關的技術條件和工程能力。

              因此,可以考慮用縱向變體飛艇方案來設計制造火星表面探測飛艇??v向變體飛艇比常規飛艇更能抵抗火星表面相對惡劣的氣象環境。

              如圖5和圖8所示,縱向變體飛艇在膨脹前可以縮小成類似“漢堡包”的扁平狀,搭載在登陸器中運到火星表面,然后從登陸器中釋放出來,充氣變體獲得浮力升空執行探測任務?;鹦潜砻嫜鹾繕O低,因此可以安全使用密度極低的氫氣來作為填充氣體,氫氣預先儲存在金屬氫化物中帶上火星。變體飛艇火星探測器的工作能源,可從艇囊表面涂敷的太陽能電池源源不斷獲取。

             縱向變體飛艇也可以采用投放的方式,讓其自由下落到距火星表面一定的高度充氣變體膨脹,飛向指定區域執行探測任務。

         

        2.4 變體飛艇原理在其它方面的應用

         

              變體飛艇原理也有可能在其它運載工具中應用, 例如潛艇。

               現有各類潛艇在水中升降,是通過排出或壓入艇體內置水倉中的水來改變潛艇自重,從而改變潛艇在水中的浮力來實現的。這個過程緩慢并且耗能很大。同時,現有潛艇的外形尺寸是固定的,容易被敵方聲納識別而不利于隱身。此外,現有截面積固定的潛艇,其航速主要是通過推進力大小的變化來實現,響應效率低而機動性較差,不利于提升潛艇作戰能力和逃逸能力。

        飛艇與潛艇雖然各自運動在不同密度和不同成分的流體中,但它們控制浮力與運動狀態的原理卻是基本相同的。因此,如果將本文所述的變體飛艇原理應用于潛艇,也有可能給潛艇的設計思想帶來變革。在變體技術基礎上集成各種現代科學技術的新概念變體潛艇, 可能會具有更好的機動性、隱蔽性、潛深率、多用途能力和更強的續航能力。

         

              3 結束語

               時至今日,航空航天科學技術的發展讓人類不僅實現了在空中自由翱翔的愿望,甚至移民到外星球居住也不再是夢想。這一切,得益于前人為我們建立的基礎,和每一代人的開拓創新。在享受前人的發現與發明來豐富現代生活的同時,我們也必須思考承前啟后、繼往開來的問題。這就是本文的目的。

         

        ● 參考文獻

        1、Airship Design(Charles P. Burgess 1927)

        2、Airship Technology(Michael J. Rycroft, Robert F. Stengel 1996)

        3、Acosta, Francisco Garcia et.al. Project Genesis:Mars In Situ Technology Demonstrator Mission. University of Washington. July 31,1994.

        4、Carr,Michael H.The Surface of Mars. New Haven:Yale University Press. 1981.

        5、Greeley, Ronald et al. The Mars Aerial Platform(MAP)Concept. AIAA Paper No.96-0335 from the 34th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit. 1996

        6、Transformable Airship/(Hiu Yeung Li,US 7,261,255 B2,2005,發明專利文獻)

        7、《變體式空天飛艇》(李曉陽,200510090070.1,2005,發明專利文獻) 

         

         

        作者簡介:李曉陽,北京航空航天大學飛機設計與應用力學專業94屆工學博士,中國航天空氣動力技術研究院等多所院校兼職教授、研究生導師?,F任香港翌洋航空工程設備有限公司、珠海新概念航空航天器有限公司董事長暨總設計師,有100余項自主創新科技專利技術成果,主持并圓滿完成過多項國家科研項目任務,中國太陽能動力飛行研究的奠基人之一。中國發明專利“變體式空天飛艇”(200510090070.1)和美國發明專利“Transformable Airship變體飛艇”(US 7,261,255 B2)的發明人。

         

        推薦語:

        李曉陽博士文章論述的變體飛艇,是突破現代飛艇發展局限的重大創新,有可能給浮空器技術的發展帶來根本變革。

        推薦人:

        羅沛霖  著名科學家, 中國科學院院士和中國工程院院士;中國電子信息產業開拓者與奠基人;中國工程院發起人之一。

         

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        注:全文約11,000字,11幅插圖,完成日期:2008年6月2日。

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