轉貼 軟式飛艇——發展回顧和展望

一,            輕於空氣的航空器( LTA )和軟式飛艇( BLIMP 
航空器分為重於空氣的航空器和輕於空氣的航空器。 重於空氣的航空器包括飛機、滑翔機、直升機、旋翼機和撲翼機。 輕於空氣的航空器包括自由氣球、系留氣球和飛艇。 按照氣囊結構不同飛艇又分為硬式飛艇( RIGID AIRSHIP )、半硬式飛艇和軟式飛艇( NON-RIGID AIRSHIP  BLIMP )。 軟式飛艇在歐洲特別是英國比較習慣使用 NON-RIGID AIRSHIP 這個詞彙來稱呼;在美國,則習慣使用BLIMP 這個詞彙。
  輕於空氣的飛行器的出現,早於重於空氣的飛行器。 飛艇的出現早於飛機。 十世紀初中國發明的孔明燈,實質上就是早期的熱氣球。1783 年,法國蒙高爾費兄弟才製成熱氣球,攜帶幾隻小動物升空。 1783  10  15 日羅其埃乘熱氣球升空 26 米,飛行了四、五分鐘。 同年 11  21 日,羅其埃和達爾朗德乘熱氣球升空 1000 米, 12 分鐘飛行了 12 公里。 1852 年,法國亨利•吉法爾建成第一個軟式飛艇,長 44米,最大直徑 12 米,動力裝置為蒸汽機驅動一個三葉螺旋槳。 1865 年,鮑爾•漢林建成第一個使用內燃機驅動螺旋槳的飛艇。
重於空氣的航空器的升力來自空氣流動產生的空氣動力;輕於空氣的航空器的升力來自空氣對於氣囊產生的靜浮力。
氣囊能夠產生浮力的原因是氣囊內浮力氣體的密度和比重低於空氣。 有兩種方法得到低密度、低比重的氣體。 第一種方法是物理方法,加熱空氣。 根據國際標準大氣,海平面大氣狀況為:氣壓 101325Pa ,氣溫 288 ° K ,大氣密度 1.225 Kg / m 3 ,空氣平均克莫爾數為29 克。 空氣被加熱,溫度升高後密度下降,可以產生浮力。 海平面標準大氣狀態的干燥空氣,溫度提高到 40 ℃時可以產生0.098 Kg / m 3的浮力,溫度為100 ℃的干燥空氣可以產生0.279 Kg / m 3的浮力,溫度為150 ℃的干燥空氣可以產生0.391 Kg / m 3的浮力。 第二種方法是化學方法,氣囊內充入化學成分不同於空氣的單質氣體。 空氣不是單質,而是多種氣體的混合,主要成分是接近80%的氮氣和接近20%的氧氣,其它氣體所佔比例很小。 空氣的平均分子量是29 。 氦氣的分子量是4 ,充氦氣時,每立方米氦氣產生的浮力應該是: 1.225 X 29  4  / 29 = 1.06 Kg / m 3 ;氫氣分子量是 2 ,充氫氣情況下浮力應該是 1.225 X  29  2  / 29 = 1.14 Kg / m 3  氨氣也比空氣輕,NH 3 的分子量是 17 ,充氨氣情況下的浮力應該是 1.225 X  29  17  / 29 = 0.506 Kg / m 3  但是氨氣有腐蝕性,而且對於人有毒害作用。 天然氣的甲烷也輕於空氣,甲烷的分子量是 16 ,充甲烷天然氣情況下的浮力應該是 1.225 X  29  16  / 29 = 0.549 Kg / m 3  但是甲烷易燃。 最經常使用的浮力氣體是氫氣和氦氣。 氫氣容易得到而且便宜,但是可燃,有火災和爆炸的危險,歷史上出現過興登堡飛艇失事等重大災難。 氦氣是惰性氣體,非常安全,但是稀有,價格高,而且可能受到出產國的封鎖。 第二次世界大戰前夕,希特勒侵略擴張的野心已經曝露,為了本國國家安全,美國對封鎖了對德國氦氣供應。 世界領先、興旺發達的德國飛艇事業的發展受到嚴重的挫折。
硬式飛艇的氣囊為硬殼式(蜂窩或泡沫夾層結構)或半硬殼式(蒙皮、框、梁、桁條結構)。 多用於總重 100  200 噸以上的大型飛艇。 例如二十世紀 30  40 年代德國的齊柏林號和興登堡號飛艇。 興登堡號飛艇長 245 米,氣囊容積達到 20 萬立方米。 這種大型飛艇在早期應用比較多。 鋁合金型材製成框和桁條組成的骨架外麵包复蒙皮構成巨大的氣囊,其中佈置了許多充滿氫氣的單元氣囊。 從我們帶來的專題片“飛艇的黃金時代”中可以看到這些細節結構。 軟式飛艇的氣囊用氣密的氣球布等材料製成。 沒有充氣時是柔性的,軟的。 充滿浮力氣體後變成剛硬。 一般,軟式飛艇氣囊內的氣體壓力要高於外部大氣壓力,這個壓力差使得氣囊變成剛硬,在氣動載荷下不會發生皺摺或變形。 由於氣囊材料性能的限制,早期軟式飛艇多用來製造總重23噸以下的小型飛艇。 後來,隨著性能更好的新材料的出現,已經可以製作總重數百噸的軟式飛艇,而且其生產率指標(有用載荷X航速/空重)優於硬式飛艇。 軟式飛艇得到更廣泛的應用。


二,            軟式飛艇發展的歷史回顧
首先,援引1980年中國駐英國大使館商務處蒐集到的一個統計表,表一,世界各國建造生產飛艇數量的統計表。

表一,世界各國建造生產飛艇數量的統計表


國家
硬式
半硬式
軟式
1914年前
1914-1920
1920年後
1914年前
1914-1920
1920年後
1914年前
1914-1920
1921-1945
1945年後
奧地利






9



比利時



3


1



 






1



 
1


14

3
46
67
7

 
24
113
5
12
2
3
28
3

6
 
1
11
5
3

1
24
198
1
11
意大利



11
16
6
4



 





2
5
1
5
1
 



13

9
5

50
4
西班牙





1
2
1
3

 


4

1

25
46
218
65
小計
26
124
14
56
19
25
150
316
284
90
合計
164
100
840
總計
1104
注:引自 1980  8 月中國駐英國大使館商務處編輯“英國充氦飛船發展情況的初步調查”。
本文發表在 1985  4 月在昆明召開的雲南民用航空 / 飛艇應用學術討論會專輯 -2 

這個數據應該是截止到八十年代之前。 可以看出:第一,硬式飛艇僅僅在早期生產比較多;第二,軟式飛艇總的數量遠遠多於硬式飛艇。
軟式飛艇的發展,可以劃分為幾個時期或階段。
第一個時期是從飛艇誕生到二十世紀三十年代末。 這個階段覆蓋了飛艇的誕生和黃金時代。 當時飛機尚處於新生階段,飛機雖然發展很快,但是在航程、載重(客座數)和速度幾個主要方面仍然受到局限。 大型飛艇雖然速度略低,但是在航程、載重(客座數)和飛行成本方面都優於飛機。 飛艇發展到黃金時代。 大型硬式飛艇越洋航線開通、頻繁的洲際飛行和穿越北極的飛行,是飛艇黃金時代的寫照。 1 是著名的齊柏林硬式飛艇,圖 2 是著名的興登堡號硬式飛艇。

 
   1 著名的齊柏林硬式飛艇        2 著名的興登堡號硬式飛艇

第二個時期是二十世紀四十年代到六十年代,即二次世界大戰以及其後一段時期。 這個階段,由於戰爭的需求,飛機得到快速發展。戰鬥機達到高亞音速甚至超音速的高速度,轟炸機達到了越洋和洲際的遠航程以及巨大的載彈重量。 戰後將這些成果民用,創造了民航運輸飛機的噴氣時代,實現了快速、遠程、舒適的旅行。 飛艇失去了運輸方面的市場,進入了停滯和蕭條,大型硬式飛艇成了歷史的過客。但是,在戰爭中,特別是在美國,軟式飛艇在海岸巡邏、警戒、反潛和布雷等軍事應用方面找到了自己的位置,得到了一定的發展。 美國在六十年代以前製造了大量的軟式飛艇,大部分為軍用。 如固特異( GOODYEAR )公司在 1938  1944 年期間提供美國海軍 K  134架、 L  18 架, 1953  1956 年期間提供美國海軍 ZPG-2  12 架、 ZSG-4  15 架。 這些軟式飛艇發揮了顯著的作用。  3 展示了一些當時廣泛應用的飛艇。 在戰爭時期,系留阻攔氣球用於城市防空,也發揮了自己的作用。 從歷史記錄片可以看到,當年,德軍兵臨莫斯科城下時,蘇軍在城市上空,佈滿了系留氣球,組 ​​成防空網。 遺憾的是,在與飛機的競爭中,飛艇的海岸巡邏和反潛等任務,也逐漸失去自己原來佔有的市場。






 3 第二次世界大戰及戰後時期美國海軍廣泛應用的一些型號軟式飛艇
第三個時期是二十世紀七十年代前後,在歐洲再次激發出開發軟式飛艇的浪花,甚至波及到日本。 其動力並不是歐洲或日本自己在運輸方面的需要,而是為了支持非洲落後國家和地區的經濟發展,解決交通閉塞的叢林地帶的人員交通和木材、礦產的運輸問題。 英國、德國、日本都開展了一些工作。 德國開發了 WDL1  WDL2  WDL3 等軟式飛

                                                                               
 4 SKYSHIP-600 飛艇


艇,氦氣容積為 6000  13000  20000 立方米。 1979 年以後英國飛艇工業公司開發了天空飛艇( SKYSHIP )系列的軟式飛艇,包括 AD-100  AD-500  AD-600  AD-5000 ,氦氣容積為 1000  5131  6050  50000 立方米,副囊比為 26%  26%  26%  32% ,最大航速為 111  115  120  170 公里 / 小時,巡航速度為 93  96  93  111 公里 / 小時,升限為 914  2438  2438  2438 米。 表二是英國飛船發展公司做出的飛艇市場的預計,在其後十年內需求的軟式飛艇可能達到 868 艘,有關業界相當樂觀。


表二,英國飛船發展公司關於軟式飛艇市場的預計
用途 /
國家和地區
海上監視
反潛
掃雷
空中警戒
廣告
英國
12
30
25
15
2
歐洲
20
40
70
20
2
日本
20
45
25
15
2
澳大利亞
10
10
12
10
2
美國
48
90
100
60
3
非洲
8
10
15
4
1
東南亞
40
12
12
5
1
中東
40
15
10
5
2
合計
198
252
269
134
15

我國對這一浪花也有共鳴, 1976 年,中國科學院下達文件,同意江蘇省開展飛艇研製。 1977 年,國家計委、中科院和三機部下達文件到江蘇省,同意江蘇擔負氦氣飛船試制任務,擬在南京航空學院附設充氦飛船研究機構,具體開展飛船研究設計工作,由江蘇省領導,中國科技大學力學系協助。 後來的開發工作,進展不順利, 1981 年初,第三機械工業部行文請示國家科委和國家計委,建議撤消充氦飛船研製任務。 理由有三:無明確用戶、國內基礎工業技術水平不具備條件、經濟效果無把握。 當年四月,國家科委和國家計委發文回复第三機械工業部,同意撤消氦氣飛艇研製任務。 總之,研製開發軟式飛艇的浪花沒有變成波濤和激浪,不久就平靜了。 請注意這個現象:在表二英國飛船發展公司市場預測中,沒有運輸一項。 說明他們已經發現,軟式飛艇的主要市場在於軍用。
第四個時期,二十世紀八十年代至現在。 真正的現代軟式飛艇或者稱為當代軟式飛艇在這個時期正在孕育發展。 當代軟式飛艇的出現是二十世紀高技術成果的繼續。 現代軟式飛艇具備如下特點:第一,以高技術成果為基礎,與過去各個時期的飛艇相比較,技術平台已經發生根本變。 第二,現代軟式飛艇主要不是為了解決交通運輸問題,不是民用;而是國家用,開發成為武器裝備,為軍事和國防服務。 當然也用於反恐。 第三,現代軟式飛艇傾向無人駕駛,高度自動化,實際上是空中機器人。 第四,現代軟式飛艇重視可靠遙控遙測,實現飛行器程序控制和遠程超控。 第五,當現代軟式飛艇注重任務載荷的發展,重視任務載荷所得到信息的實時、遠程、高保真、防偵竊傳輸。後面將詳細介紹幾種現代軟式飛艇。
三,            現代軟式飛艇關鍵技術
現代軟式飛艇,特別是無人駕駛軟式飛艇,也是一種無人駕駛飛行器,涉及下列有關關鍵技術。 (略)

現代軟式飛艇的關鍵技術,體現了高技術發展的成果,特別是信息科學技術、材料科學技術、航天技術和自動化技術的成果。 我國“863 高技術發展計劃”包括了八個領域,上述現代軟式飛艇所依賴的高技術就包括了其中的四個。 這進一步證明,現代軟式飛艇發展的第四個時期是高技術發展的繼續。
氣囊是軟式飛艇最大的部件,也是與其它航空器比較最具有特色的部件。 這裡對軟式飛艇的氣囊做一些簡要介紹。
1,   氣囊充氣餘壓的確定:需要綜合考慮強度和剛度。 餘壓越高,氣囊囊體材料需要承受的
應力越大,氣囊的強度威脅越大。 但是,餘壓越高,氣囊的剛度越高,承受穩定或者陣風載荷的能力也越高。 充氣餘壓的選擇與囊體材料有關,也與氣囊尺度有關,因為同樣充氣壓力下,囊體材料承受的應力的大小與氣囊的尺度正比。 體積較小的氣囊可以選用較高的餘壓,體積大的氣囊,實現大餘壓比較困難。 早期,充氣餘壓在 0.033—0.067 Kg / cm2 範圍,相當於 33—67cm 水柱。 近年來囊體材料改進,輕、強、薄,國內一些設計採用 4—10cm 水柱的餘壓。
2,   副囊比的選擇:對於一般飛行高度有限的軟式飛艇,副囊比為 20%  40%  副囊比的確
定很大程度上受到飛艇升限的影響。 粗略考慮大氣氣壓和密度隨高度的變化,在 3000 米、 6000 米和 9000 米高空,大氣氣壓降低到 0.7 0.5  0.3 Kg /cm 2 力,要想維持氣囊餘壓,需要排出 30%  50 %  70% 體積的囊內氣體,一般是排出副囊內的空氣。 前面所說的 20% 40% 的副囊比,指的是一般的飛行高度不超過 2000 米的飛艇,對於高空飛艇,副囊比必須提高很多。 那時,副囊可能比主囊還要大很多。 例如在 22 公里高度工作的高空飛艇,在地面起飛時,充氦氣的主囊的體積只有氣囊總體積的 5% 左右,而充空氣的副囊的體積佔氣囊總體積的 95%  到達 22 公里高空時,地面起飛前充入的氦氣膨脹到原來的 20 倍,原來在地面充入的空氣幾乎全部被排出。 副囊的作用,不僅是作為配重,更重要的是用來適應升空後氣壓的下降。
囊內充氣呼吸:高度上升或氣象氣壓變化時,為保持充氣餘壓恆定、不超壓,囊內氣體需要呼吸。 適宜的方法是讓副囊中的空氣呼吸。 應當同時注意到副囊呼吸引起的氣囊浮力變化。
3,   呼吸閥門:控制氣囊充氣的呼吸。 應該是自動的、根據設定壓差以及飛行高度調節的、
具有排氣功和充氣功能的自動調節器。
4,   氣囊材料應該具備的六方面性能: 1 )適當的強度, 2 )足夠的氣密性, 3 )比較小的比
重,單位面積材料的重量, 4 )抗老化能力, 5 )抗紫外線老化的能力, 6 )抗氮氣滲透擴散能力。
5,   充氣餘壓產生的拉應力:理想情況,圓管管壁周向的拉應力為:
         σ = 0.5 XDXP / δ
σ—應力, D —圓管內徑, P —充氣壓強,      δ—管壁厚度。
這個公式也可以於充壓氣囊周向拉應力初步估算。
6,   升空後氣壓變化:
表三給出氣壓和溫度隨高度的變化。
例如, 1000 米高空,氣壓為 900 毫巴( 0.9 Kg / cm 2 ),海平面氣壓為 1013 毫巴。 為了保持氣囊內外壓力平衡,需要通過呼吸閥門從副囊排出大約 10% 總容積( 900/1013=0.89 )的空氣。 當高度下降時,需要經過呼吸閥門吸入或者充入需要的空氣。
如果設計中的飛艇的飛行高度範圍為地面到 1000 米。 在這個高度範圍內,大氣氣壓、密度下降約 10%  升到高空後,氣囊排出副囊內的部分空氣,副囊體積縮小,主囊內的氦氣的容積增大,氣囊總體積維持不變。
7 ,壓倉水的功用:飛艇充氣後產生的浮力應該比設計載荷多出一定的剩餘(機動)浮力。 壓倉水用來平衡剩餘(機動)浮力。 當遇到雨雪天氣,飛艇氣囊沾水、重量增加時,排出壓倉水,增加飛艇的浮力。 恢復飛艇的浮力與重力的平衡。
8 ,氣囊材料:單層氣囊常用的材料是尼龍絲布增強的聚氨脂基複合材料氣球布。 這種材料充分發揮了尼龍絲布的高強度優點以及聚氨脂的氣密優點。 這種布的比重為每平方米 200 克左右,當前市價大約為每平方米 60  70 元,製作一個容積為 500 立方米的氣囊所需要的材料費和加工費大約在 15  20 萬元。 用這種材料製作的氣囊,在氣密性、強度、抗老化性能等方面比較好。 多層氣囊採用內囊外面套一個外囊構成。 內囊一般採用兩層聚乙烯膜,每層每平方米重量為 70  85 克,兩層結構每平方米重量約為 140  170 克。 外層採用牛筋布。加上外層以後,氣囊每平方米重量也是 200 克左右。 牛筋布發揮強度作用,聚乙烯膜發揮氣密作用。 多層結構氣囊的比單層結構氣囊的造價低 40% 左右。 雖然多層結構氣囊價廉,但是壽命短,特別是內外囊之間的摩擦或配合不佳,可能引起氣囊損壞。 一般,多層結構氣囊大多用於一次使用,短壽命飛艇。
四,            標準、規範和適航要求
軟式飛艇的研製和生產,應當遵守相應的標準、規範和適航要求。 在適航要求方面,英國民用航空適航要求 BCAR  Q 部就是對飛艇的要求。 美國有聯邦航空署發布的 FAA  P8110  2 “飛艇設計準則”。 中國民航總局 1997 年發布了 AC  21  09 “飛艇適航標準”,規定我國就採用美國的 FAA  P8110  2 “飛艇設計準則”作為我國的飛艇適航標準。
英國 BCAR 中的 Q 部(軟式飛艇)適航性要求要點如下:(注意,此處引用的是八十年代的版本。)
1 ),飛行要求,包括性能和操縱兩個方面。
性能要求:三個方面:爬升性能、場上性能、平飛性能。
爬升性能: A ,全部發動機開動情況下達到 2  / 秒的最小爬升率,這樣才能承受 38
公里 / 小時(五級風)吹過 15 米高樓所產生的高樓後下洗風。 B ,發動機在小油門工況下,一旦飛行員發現飛艇突然下沉,能夠在 10 秒鐘之內達到以上規定的最小爬升率。 C ,雙發飛艇,單台發動機失效時,不排放壓倉空氣,仍然能夠達到 0.76  / 秒的爬升率。
場地要求:根據美國固特異公司建議,飛艇場地的直徑為飛艇長度的 5 倍。
平飛性能:由於風暴中心可能產生 55.6 公里 / 小時(七級風)的吸入風速,所以要求在靠近風暴附近飛行時,飛艇的平飛速度不得小於 74 公里 / 小時。
       對飛艇飛行的操縱要求:這是在各種動力和飛行情況下,保持最大爬升率及最大下沉率的操縱限制,或在不同動力情況下達到最小轉彎半徑的操縱動作。 應當分析發動機故障情況對於高、低速度飛行中操縱性的影響。 要考慮飛艇在正常和應急情況下飛行員所需要付出的勞動強度。 應計算安全操縱飛艇的允許最大風速,諸如以下各種情況:飛艇在側風中進場、著陸時,在下風頭髮動機停車,仍能操縱飛艇安全進場。 著陸的條件應是,該側風的風速不得大於飛艇在單發停車下可達航速的 75%  另一種情況是規定地面人數條件下能曳拉住飛艇的最大允許風速。 最後,取以上兩種情況的最小者作為限定的允許最大風速。
      還應考慮飛艇迫降情況下的操縱要求,迫降有兩種情況: A ,發動機尚能工作的情況下,飛行員還可以選擇場地進行迫降。 此時,在全部發動機工作或單發工作情況下,在沒有地面人員的幫助下,應能操縱飛艇安全著陸,並使飛艇上的乘客安全離艇登陸。 B ,全部發動機停車,這時只能按照氣球的方式著陸。 應能在允許的最大風速下操縱著陸。 著陸後乘客疏散的速度應該小於應急放氣系統的升力減小速度,防止飛艇帶著艇上其餘乘客再度離地。
2 ),結構要求。 要考慮到機動、陣風和系留各種情況下作用的載荷。
        1 )機動載荷情況:飛艇在最大載荷情況下,以最大功率俯衝飛行中達到的速度 Vd ,(對於飛艇一般就取其最大飛行速度 Vc Vd = Vc ),再加上風速,這時飛行員以能夠使出的最大力氣操作飛艇舵面到最大偏轉角度,這時在飛艇上產生的載荷達 ​​到最大載荷。要考慮升降舵、方向舵單獨偏轉的效應和兩舵同時偏轉的複合效應。 並且考慮舵面從一個極端反向操縱迅速達到另一個極端的載荷情況。
       2 )陣風載荷情況:根據近年來的研究,陣風的發生過程,從其 0 值到達最大值 Vmax ,要經過一段距離,所以取陣風風速的計算值為 V  V = KVmax 
      陣風係數 K ,取決於飛艇的速度,一般低速飛行器,取 K = 0.6 
      在英國,按照統計資料,一般取 V = 9  / 秒。 綜合各種飛行情況,包括陣風載荷在內,飛艇可能遭遇的最大縱向過載不大於 2g 
        3 )系留載荷情況,這需要統計當地的地面風速。 英國的統計值為 148 公里 / 小時( 12 級颶風)。 風吹向飛艇所產生的阻力,即是作用在飛艇頭部和系留柱上的拉力載荷。 飛艇頭部的壓力載荷來自,全部發動機以 5.5 公里 / 小時的速度沖向系留柱的載荷,或是由飛艇尾部吹來的 46.3 公里 / 小時的風速所產生的載荷。 系留柱應當具有一定的柔性以承受動載荷。 迎頭陣風還可能產生很大的拉、壓交替載荷。 系留系統的側向載荷按規定的作用角錐確定。
3 ),設計和構造的要求
     除了 ​​對於輕型飛機的設計和構造要求( BCAR  K 部要求)適用外,對於氣囊的設計和構造還另有要求。 如軟式飛艇氣囊的材料應是抗撕裂、不可燃,並且要求經、緯方向為等強度。 對於所用的非金屬材料,如在使用到強度降低到原值的半數時即予以更換,則總的安全係數取為 4  對於金屬材料,仍和飛機類相同,安全係數取為 1.5  氣囊和陣風和機動等載貨情況下應不發生皺紋,這一條件是決定氣囊最大充氣壓力的設計情況。 氣囊充氣系統應有自動放氣機構,保證氣囊沒有爆破的危險。 除滿足以上要求外,對氣囊材料還要求抗老化、抗紫外線及防氣體滲漏的能力,並具有好的折疊紉性。
4 ),對發動機的要求:
    飛艇所用發動機及其安裝要求和通常的飛機類相同。 只是發動機在取得型號證書時可以放寬要求,這是因為適航性要求所管理的飛艇,即便在全部發動機停車的情況下也不會產生災難性的事故,最多在回到地面時會發生不同程度的緊張局面。 但是這到底不是經常遇到的情況。 因此,對於飛艇用發動機只要求 75 小時的耐久性試車,而不必要求用於飛機類上的 150 小時試車。
5 ),設備安裝的要求:
    浮力氣體和空氣的閥門和供氣系統是飛艇安全運行的重要設備。 因此,設計時,應在最大上升率和下沉率的要求下,估算閥門和供氣系統所需要的流量。 要考慮到遭遇最壞的雷雨情況,這是全天候運輸飛艇所應具備的適應能力。 如飛經的地區有氣象預報可得或飛艇上設備有氣象雷達,則遭遇嚴重風暴的機率減小,同時所受陣風風速也相應地減小。 故在計算陣風載荷時,一般飛艇的陣風係數取 K = 0.75 ,而裝有氣象雷達的飛艇可降低一些,取 K = 0.5 
6 ),採用英國適航性要求的安全水平。 適航性要求的基礎是經驗,由其中可歸納出兩種性質的要求:
    第一種性質的要求是基於良好的工程實踐,並反映了過去發生過的事故和缺陷的各種經驗。
    第二種性質的要求是一種理性要求,是基於研究不同陣風情況和典型的機動包線的概率統計得來的,這也要靠過去的經驗。 如採取發動機可靠性試驗計劃之類的措施。
    以上兩種性質的要求內容分別包括在適航性要求的各部和章、節之中。 因此,按照適航性要求進行設計、生產、運用飛艇,並能達到一定的安全水平。
CAAC  AC  21  09 “飛艇適航標準”(即 FAA  P8110  2 “飛艇設計準則”)主要包括七個分部: Ⅰ—總則,Ⅱ—飛行,Ⅲ—結構,Ⅳ—設計與構造,Ⅴ—動力裝置,Ⅵ—設備,Ⅶ—使用限制和資料。
請注意,中、美適航標準針對的對像是乘客人數(不包括駕駛人員)少於九人的載人飛艇。 不適用特種飛艇。 所以,研製無人駕駛軟式飛艇時僅供參考。
五,典型現代軟式飛艇以及相關發展計劃介紹
首先簡要介紹三種現代軟式飛艇及相關計劃,它們分別代表小型、中型和大型;也分別代表低空、中空和高空軟式飛艇。
第一個介紹的是飛艇是美國 BOCSH AEROSPACE 公司承擔軍方 SASS (小型飛艇偵察系統)計劃開發的一系列小型現代軟式飛艇。這些飛艇的最大飛行速度為 72 公里 / 小時,工作高度 1000 米到 2000 米,是低空飛艇。 見圖 5 和圖 6 







     

    
               5 和圖 6 美國 BOSCH AEROSPACE 公司研製的 SASS 小型偵察無人駕駛飛艇       


001 號和 002 號飛艇,氣囊容積 12000 立方英尺( 340 立方米),長 60 英尺,最大直徑 20 英尺,單發動機,功率 42 馬力;
003 號飛艇,氣囊容積 17000 立方英尺( 480 立方米),長 72 英尺,最大直徑 21 英尺,單發動機,功率 42 馬力;
004 號飛艇,氣囊容積 22000 立方英尺( 623 立方米),長 82 英尺,最大直徑 22 英尺,單發動機,功率 42 馬力;
005 號飛艇,囊容積 30000 立方英尺( 850 立方米),長 92 英尺,最大直徑 25 英尺,雙發動機;
006 號飛艇,氣囊容積 34500 立方英尺( 977 立方米),長 100 英尺,最大直徑 25 英尺,雙發動機。
研究發展計劃從 1988 年開始。 屬於長航時無人駕駛小型軟式飛艇。 用於軍事偵察、邊境巡邏、航道巡邏、救援、導彈數據採集、通信中繼等任務。 遙控半徑 100 公里,使用 L 波段。 下行視頻信號使用頻率也在 L 波段。 L 波段的數據鏈系統還配備了一個使用YAGGI 定向天線的 P 波段後援系統。 GPS 導航。 數字式自動駕駛儀。 FTS 飛行中斷系統保證故障情況下飛艇自動安全回收。 最大任務載荷達 ​​到 190 公斤,可以裝備多種技偵設備。  7  BOSCH 小飛艇拍攝的照片。 同一個目標,左圖為日光圖像,顯示的是森林植被,右圖是紅外圖像,顯示出植被偽裝下面掩藏著一輛坦克。
 8  BOSCH 小飛艇可以配備的一些攝影和攝像設備。
 
 7 BOSCH 小飛艇拍攝的日光和紅外圖像照片

              

 8 BOSCH 小飛艇配備的一些光學偵察設備

第二個介紹的是一種中空系留氣球,它是飛艇的近親。 這個系留氣球的型號是 420K ,由美國 LORAL 公司(全稱 LORAL DEFENSE SYSTEMS  AKRON )研製。 LORAL 公司就是原來大名鼎鼎的 GOODYEAR AIRCRAFT 公司、 GOODYEAR ZEPPLIN公司。 這個公司自 1917 年到 1995 年總計生產了 8000 個以上的系留氣球,其中包括 8  420K 系留氣球,還生產了 350 個以上的容積超過 150 萬立方英尺的飛艇,生產了容積 650 萬立方米的硬式飛艇。  9 所示 LORAL 420K 是眾多系留氣球方案中經過美國空軍評價,認為最合適的一個。 420K 系留氣球為 L88A 等警戒雷達提供空中穩定平台。 其主要技術指標是:升限 3000 米(攜帶重量 2 噸的雷達)或 4500 米(攜帶重量 1 噸的雷達),工作風速 33  / 秒,最大生存風速 46  / 秒以下,容積 12000 立方米( 420K 立方英尺),氦氣容積 11700 立方米,任務載荷 7500 公斤,長 63.7 米,最大外徑 21 米(不包括風擋),風擋半徑 6.25 米,系留繩纜長度7000 米,強度 19360 公斤,最大升降速度 240  / 分,牽引中正常升降速度 100  / 分。 420K 系留氣球配備機載電源,包括使用低溫燃料、有燃料加溫裝置的柴油發電機組,機載油箱容量 125 加侖, 100 加侖燃油可以按照 5.5 千瓦供給雷達連續工作五天半。 成本方面, 420K 運行費用低於 30 美元 / 小時,而使用飛機時運行費用為 3500  10000 美元 / 小時。 420K 所搭載的雷達可以防範地面、海面和空中的目標。 1995 年, LORAL 公司曾經到我國向軍方介紹和推薦 420K 系留氣球,並進行技術交流,作者參加了這次技術交流。表四是 LORAL 公司提供的 420K 系留氣球雷達系統 ​​發現目標的警戒距離隨氣球高度和目標尺度變化的關係。



 9 美國 LORAL 公司 420K 型中空系留氣球


表四, 420K 系留氣球雷達系統 ​​發現目標的警戒距離,公里

氣球高度,米
目標尺度,米
10
20
30
40
50
100
500
1000
2000
3000
239
244
248
252
255
267
318
356
410
2800
231
237
241
244
247
259
310
349
403
2600
223
229
233
236
239
251
302
341
395
2400
215
220
225
228
231
243
294
332
386
2200
206
212
216
219
223
235
286
324
378
2000
197
203
207
210
214
226
277
315
369
1800
188
193
197
201
204
216
267
305
359
1600
178
183
187
191
194
205
257
295
349
1400
167
173
177
180
183
195
246
285
339
1200
156
161
165
169
172
184
235
273
327
1000
143
149
153
156
160
172
223
261
315
800
130
135
139
143
146
158
209
247
301
600
114
119
124
127
130
142
193
231
285
400
95
101
105
109
112
124
175
213
267
200
71
77
81
84
87
100
150
189
243
15
29
34
39
42
45
57
108
146
200

第三個介紹的是俄羅斯 ROSAEROSYSTEMS 公司的一種高空無人駕駛太陽能驅動的軟式飛艇。 2005 年夏在北京由我國科技部主辦的中俄高新技術交流會議上作者與該公司負責人結識並建立了聯絡。 莫斯科航空學院是該公司的技術後盾。 這是一個年輕的公司,但是在比較短的時間內他們開展了相當多的工作,取得顯著成就。 他們的產品包括載人飛艇、系留氣球和無人駕駛軟式飛艇。 這裡介紹的是該公司高空長航時無人駕駛太陽能驅動的軟式飛艇 HAA 的方案,見圖 10  11  12  HAA 工作高度為 22 公里,已經是同溫層的下部。 他們調查研究了高空風速度隨高度變化的規律,從地面開始,隨著高度增加,高空風的風速急劇增加。 但是,高度超過十多公里以後,高度增加,風速反而減小。  22 公里左右降低到比較小的風速數值。 繼續增加高度,高空風的風速又單調上升。 所以,他們選定 22 公里左右作為 HAA 的工作高度。 HAA 有三種不同的設計: BERKUT ET  BERKUT ML  BERKUT HL  它們分別適合地球低緯度熱帶、中緯度( 33  45 度)溫帶和高緯度( 45  60 度)寒帶。
 
 10 俄羅斯 BERKUT HAA 概念圖           11 BERKUT HAA 氣囊容積變化

 12 BERKUT HAA 覆蓋半徑
HAA 有兩個技術要點。 第一,在高空工作,在 22 公里高空,根據標準大氣,空氣的密度只有 50 毫巴,也就是海平面空氣密度 1013毫巴的 5%  升空到 22 公里時氣囊中的氦氣要膨脹 20 倍。 所以,氣囊中充空氣的副囊的比例不能採用一般飛艇的 20  40% ,而是 95%,副囊比主囊還要大。  11 顯示 HAA 氣囊容積變化,上圖表示地面充氣狀態,氣囊上部容納氦氣的主氣囊收縮,容積很小,下部容納空氣的副氣囊膨脹得非常大;下圖是在 20 公里高空,主氣囊大大膨脹,容納空氣的副氣囊被壓縮到非常小。 第二, HBERKUT 高空飛艇用來作為空中定點靜止轉播和警戒平台,為此必須平衡高空風。 作為長航時飛艇,最好不自帶能源、採用太陽能。 太陽能功率密度有限,又要長時間消耗功率平衡高空風,難度很大。 解決的途徑不外兩個:第一,選擇低阻艇型,盡量降低飛艇迎風阻力,減少飛行功率需求;第二,擴大能源,盡量增加太陽能電池面積,得到足夠大的電能功率,並配備良好的蓄電,供電,調節,高效率電動機和高推進效率的螺旋槳。 三種 BERKUT HAA 的主要技術指標見表五。

表五, BERKUT HAA 的主要技術指標

BERKUT HAA 技術指標
BERKUT ET
BERKUT ML
BERKUT HL
容積,立方米
192000
256000
320000
長度,米
150
200
250
最大直徑,米
50
50
50
發動機最大功率,千瓦
50
50
50
螺旋槳直徑,米
6
6
6
日平均功率消耗,千瓦
100
165
230
任務載荷,公斤
1200
1200
1200
任務載荷功率消耗,千瓦
15
15
15
太陽能電池面積,平方米
3500
5800
8000
具有發動機和螺旋槳的尾翼數目
3
5
7
工作高度,公里
20  23
20  23
20  23
續航時間,月
4
4
4
總重,公斤
13500
18000
22500
工作緯度,度
0  30
30  45
45  60
地面飛艇庫所需單元數,個
12
14
18

下面再介紹一些美國軍方在飛艇發展方面的動向。
      高空飛艇方面,目前美國軍方正在發展的一個高空飛艇是 攀登者 ( Ascender ) V 形軍用飛艇。 13是攀登者V形飛艇的照片。













13 “攀登者 ( Ascender )巨型軍用飛艇
 攀登者”V形軍用飛艇長53米,寬30米,規模比一個棒球場還大,是美國空軍科羅拉多州施里弗基地空間戰實驗室和空間戰中心重要項目之一,美國加利福尼亞州JP航空宇宙公司開發。 飛艇內部充填氦氣,採用螺旋槳推進系統,能在30 ~ 50公里的高空長時間飛行,可在雲層上方停留、飄浮。 作為能在近層空間盤旋的新型半自動設備, 攀登者軍用飛艇造價僅為50萬美元,遠遠低於任何一種有人駕駛偵察機的價格,還不到全球鷹高空長航時無人偵察機造價的40% ,但卻擁有較高的升空能力、貨物運輸能力、長時間飛行能力,集衛星和偵察機的功能於一身,由地面遙控設備操縱,能完成高空偵察、勘測任務,也可用作戰場高空通信中繼站,保障指揮員在山脈中或山的另一側與部隊通話,保障戰場上各戰鬥小組間的聯繫,而且沒有衛星和偵察機的缺點,基本上不受地面和空中任何武器系統的攻擊,是美國空軍重點建設的一個高空飛行器項目,首批實用型飛艇最早會在2006年後問世。
2003 10月,五角大樓導彈防禦局還與洛克希德·馬丁公司簽署了價值4000萬美元的高空飛艇 ( High Altitude Airship ,HAA )新型反導飛艇研製合同。 高空飛艇152米,寬50米,體積150000立方米,是Goodyear軟式小型飛艇的25倍,其有效載荷約2噸,能源需求10千瓦,可在65000英尺高空飛行一年,其原型已經能在高空不間斷飛行1個月之久, 高空飛艇擁有比​​“攀登者巨型飛艇更強的偵察和通信能力,美中不足的是,其造價相對較高,且易受攻擊。 
JP航空宇宙公司正在進行的另外兩個項目是高空飛艇漂浮平台和高空軌道飛艇的研製。 該公司計劃為美國空軍建造一個名為黑暗空間站 ( Dark Sky Station )的高空漂浮平台,這種空間站只是字面意義上的空間站,並不在軌道空間,而是設在30.5公里的高空中。它將由許多飛艇構成,長約2英里,用作太空船從地面到軌道間的高空中轉站、第3方飛行設備補給站、遠距離操縱的無線電通信中繼站。另一種方案是建造一個獨木舟式的高空軌道飛艇軌道攀登者”(Orbital Ascender) ,長1.8公里,能在30 ~ 42公里的高空,在地面-空間站-軌道之間往返飛行。
14設想中的黑暗空間站飛艇系統
重型運輸飛艇方面,美國國防先進計劃研究局( DARPA )正式推出了旨在發展這一新軍事運輸概念的海象重型飛艇計劃,向有關軍事合同承包商招標,推動這一概念從理論走向現實。 終極版海象重型飛艇將能夠一次性運載500噸~ 1000噸軍事裝備和物資,在4天內飛行10000千米或者一周內飛行20000千米進行跨洲飛行,並能夠在未做預處理的陸地和水面上著陸。 除此之外,在一次性運輸作戰單位時, 海象將同時攜帶足夠一個作戰單位落地後至少維持72小時的給養。 它將比現有美軍運輸艦快上至少3倍,比美軍功能最強的大型運輸機的運輸能力高出至少4倍。 一艘海象重型飛艇可以在一個航程( 2天)內從美國本土向歐洲運送兩個摩托化步兵營(包括全部人員和作戰裝備),而10艘飛艇則可以在一個航程內將第82空降師運送至歐洲。 從商業用途角度考慮, 海象這樣的重型飛艇也有很大的發展潛力,其速度雖然比不過飛機,但比海運快得多,也比兩者都要經濟,這些特點使飛艇其完全可以在昂貴的空運和慢吞吞的海運之外,開闢出大規模運輸的第三條途徑。 海象是靠重力、引擎矢量推進力和空氣浮力的合力進行飛行和起落。 海象的形狀將不再採用常規的雪茄形,而可能是扁平的菱形,使它除了能夠借助飛艇內氦氣的浮力外,還能藉助空氣動力。
小型系留氣球方面,美軍將稱之為繩牽小飛艇的小型系留氣球用到了在阿富汗和伊拉克的軍事行動。 美軍在重點發展巨型飛艇同時,也重視發展小型系留氣球。 這很合美陸軍的意。 美陸軍在阿富汗取得了使用小型浮空器收效較好的經驗,後來在伊拉克也用上了小型系留浮空器。 美陸軍使用的3種小型系留氣球的長度分別為15米、 37米和71米,人們愛用它的俗稱繩牽小飛艇 。 其上面可攜帶一部彩色白晝攝像機、一部紅外晝/夜攝像機和一部帶目標方位指示器的激光器;也可攜帶新研製的網狀傳感系統,包括有360度監視雷達和精確跟踪照射雷達。 它能進行長達30天的連續監視 ​​。 這些小型系留氣球能升高到3000 ~ 4600米之間,通過系留繩纜向飛艇提供電能。 在充有氦氣的氣球下部,隔離風罩包著雷達。 4600米高度,監視雷達克服了地球曲度以及山的遮擋,可探測低空飛行的大約在370公里之內的來襲導彈。 雷達會提示來襲目標,並通過繩纜將雷達探測到的目標信息傳送給導彈防禦系統。
中型中空系留氣球方面,美空軍現役的較大的系留氣球是前面介紹的LORAL公司的420K , 2001年開始啟用。 沿著美國南部邊境地區,美空軍空中作戰司令部部署了浮空器雷達系統 ​​。 它由尤馬、瓦丘卡堡、德明、馬爾法、伊格爾帕斯、里奧格蘭德、卡喬島、拉哈斯和普埃托里科9個工作基地組成,每個基地管理一個或兩個系留氣球。 系留氣球用一根7公里長的繩纜系留並進行收放。 繩纜的另外一頭系留在備有絞車的塔樓上。 系留氣球能升到4572米高度。 在充有氦氣的大型纖維氣球上帶有監視雷達或其他電子設備。 在卡喬島上的系留氣球要小一點,上面裝置一部發射機,專門用來把美國的電視節目發送到古巴。

六,國 ​​內軟式飛艇發展的前景、問題和建議
我國幅員遼闊、地形複雜、陸地和海洋邊界很長,在邊境警戒、巡邏以及信息傳遞等領域對於軟式飛艇都有相當大的需求。 前面所介紹的低空、中空和高空軟式飛艇都值得發展。 裝備光電任務載荷的無人駕駛低空軟式巡邏和監視飛艇,在海防巡邏監視、反走私、反恐怖、環境保護檢測等方面可以發揮高效率、低成本的明顯作用。 在內陸平原和山區的交通監視、林區的防火護林工作中也可以發揮作用。我國是一個多自然災害的國家,每年都有不同地區發生水災,當災情發生時道路遭到破壞、交通受到阻隔,常規的交通和通訊手段失效,這時,裝備光電任務載荷的無人駕駛低空軟式巡邏和監視飛艇可以在災情偵察、通訊聯絡甚至在小量緊急救災物資的運輸方面出色地發揮作用。 中空系留氣球,攜帶遠程警戒雷達,可以部分代替空中預警飛機的作用,但是其建設成本和運行成本遠遠低於預警飛機。 我國邊界漫長,由於軍售封鎖和財務負擔的原因,適當發展中空系留氣球警戒雷達應當適合我國國情。 至於高空長航時警戒雷達飛艇,更是國防急需,而且可以作為中繼傳輸平台傳輸軍用和民用信息。
正是看到這些需求或潛在的市場,一直以來,我國有部分執著的具有拓荒精神的研究者,一方面,密切地註視著國外飛艇技術的發展,一方面在艱難地推動促進我國飛艇事業的前進。 和近來國內無人機發展百花齊放的形勢相比,飛艇發展似乎只能用孤芳自賞來形容。但正是因為這些執著的拓荒者,才使得我們今天的飛艇發展已經具備了一定的基礎和條件。 特別是上世紀末( 1995 年以後),我國陸續引進了幾艘載人飛艇,並有部分單位重新涉足無人駕駛軟式飛艇的研製與開發。 這些飛艇在我國的許多重大活動的監測、空中拍攝以及廣告宣傳等方面,發揮了重要的作用,積累了寶貴的使用和設計經驗。
但是與國外比較,我國的飛艇發展存在不少差距。 首先是缺乏頂層的發展規劃和戰略,也沒有得到政府有關部門的足夠重視。 其次,缺乏系統的支撐和保障環境,如氣象保障、維護保障、場地保障、空域保障等等。 三是缺乏專門的人才隊伍和培訓機制。 這些問題極大地限制了飛艇事業的健康有序發展,市場培育緩慢。 具體表現在:佈點散,成效少;只有小型飛艇,沒有大型飛艇;低水平簡易飛艇多,高水平復雜飛艇少;起步早,發展慢;開發飛艇載體多,開發任務系統少。 如果這些問題不解決,難免導致眾多單位各自籌集少量資金、各自為戰,投資分散,低水平重複,發展緩慢,效益低下,難成氣候的結果。
從我國的實際發展情況看,飛艇在航空器領域的地位和作用是不容忽視的。 政府應該抓住機遇,借助民間逐漸升溫的飛艇熱,規劃好飛艇的發展方向。 並特別注意以下幾個方面的問題:
1 ,以國防需求為牽引,推動飛艇事業的發展。 雖然浮空器的採購與研發相對飛機、直升機等飛行器比較容易簡單,但對其的維護和保障工作仍然是十分複雜的,其要求也非常系統規範。 不是隨便一家商業機構就可以投資運行的。 這方面,國內國外都有許多教訓。 因此,我國應優先考慮國防和政府需求,在軍隊、武警和公安系統成立相關單位,特別是具備航空器管理經驗的空軍和海軍,應該得到優先發展。 在國防需求逐步成熟起來的同時,向民用市場推廣是輕而易舉的事情。
2 ,開展頂層的規劃研究,確定浮空器發展戰略。 飛艇的發展不是過去傳統技術的簡單延續,而要在新的高技術條件下繼續創新;要切實做好市場培育工作,而不是一哄而上;要真正研究飛艇、氣球和航天器、飛機和直升機等航空器的關係,使之取長補短,協調發展;要從戰略角度出發,樹立全局觀念,按照系統工程的方法開展現代無人駕駛軟式飛艇、中低空系留艇、高空平流層飛艇和熱氣飛艇的研究與開發。
3,     加強各類保障工作的研究。 飛艇的發展不是孤立的,要求多方面、多系統的保障。 低空航線保障問題、氦氣的提純和收集問題、載人飛艇的適航管理問題等等。 特別是氣象保障問題,這是目前我國最制約浮空器發展,又是最薄弱的問題。 和其它航空器不同,事實上,大多數飛艇的事故幾乎都是和氣象情況有關的。 因此,加強氣象探測與研究,是保障飛艇順利發展的重要工作。
4,     項目帶動技術進步和人才培養。 當前有許多迫切需要發展飛艇的項目,對這些項目要合理籌劃,要走引進、消化國外技術與自主發展相結合的道路。 在項目建設中發展技術,在項目建設中培養人才。
5,     分發揮民營資本的積極性。 按照系統工程、技術分解、關鍵技術攻關、系統合成的思
路組織研究與產品開發工作。 對熱心於飛艇事業的民營資本予以政策上的支持和保護。 注意科技創新,發展自主知識產權,堅持自身特色,不要一味跟踪抄襲外國有關技術,必須開創我國自己的道路。