浅析飞艇结构形式的发展

摘要：本文介绍了不同类型飞艇结构的发展，及软式、半硬式及硬式飞艇的概况。其次，根据不同外形、不同浮升气体、不同运行状态以及载荷能力大小而引起的飞艇不同特性，介绍了异型飞艇结构研究现状。然后，及飞艇领域的发展现状。最后，回顾了飞艇结构形式的发展历程并描述了未来飞艇的发展方向。

关键词：飞艇；浮空飞行器；飞艇外形

中图分类号：V11 文献标识码：B 文章编号：

1前言

利用空气浮力悬浮空中飞行的飞行器，一般来说，有飞艇与高空气球两种。从最开始的热气球到有着封闭囊体的氢气球、高空探测气球、飞艇以及最近方兴未艾的应用新材料、新技术的新型浮空飞行器。本文所介绍的飞艇，是指由封闭囊体中的气体提供浮力，且自身携带推进及控制系统的浮空飞行器[1]。根据结构形式及飞行控制方式的不同，飞艇种类有传统型飞艇及异型飞艇，混合飞艇、重型浮力飞艇及高攻角飞艇，还有浮力辅助飞艇等。热气球及高空气球并不属于此列，因为这两种飞行器自身没有携带推进装置。另外，由飞艇囊体结构形式可划分为软式飞艇、半硬式飞艇及硬式飞艇；异型飞艇的主要特征，如：浮力的提供方式、飞艇的外形、动力的来源等与传统型飞艇均有不同。总之，传统型飞艇具有的特征是：绕旋转轴对称的流线形外形、由囊体中气体提供浮力、载重量低、由燃料提供动力。所有其它飞艇统称为异型飞艇。

2传统型飞艇

早期飞艇概念来源于在气球上捆绑推进系统。世界上第一艘飞艇是法国工程师H吉法尔于1852年发明的。橄榄型的飞艇长44米，直径12米，在软式气囊下有一个三角形的风帆用来操纵飞行方向，在吊篮内装有一台3马力的蒸汽发动机驱动一副三叶螺旋桨。1852年9月24日，吉法尔从巴黎马戏场起飞，以大约5公里的时速飞行到28公里外的德拉普,成为当时轰动一时的新闻，给飞艇业带来极大的推动。硬式飞艇的出现，才使其真正进入实用阶段。所谓硬式飞艇，是指由金属、木材等制成框架，再在表面蒙上蒙布的，靠完整的骨架结构保持外形的飞艇。第一艘硬式飞艇是由奥匈帝国的一个木匠于1890年设计并建造的，它的龙骨及蒙皮由铝构成，这样保证了飞艇的稳定性以承受更大的重量及意外的撞击等。第一次世界大战前，德国在飞艇发展中走到了世界前列，Luftschiff-bau Zeppelin公司成为硬式飞艇的主要制造商。飞艇史上最传奇的人物冯•齐柏林成为飞艇制造的先锋，他于1900年7月制造出齐柏林飞艇1号—LZ1号，它长128米，最大直径11.7米，速度可达20千米每小时[2]。第一次世界大战中，齐柏林飞艇主要被用于军事领域。随后，齐柏林飞艇系列相继诞生，LZ127、LZ129、LZ130可以载重58吨之多并能提供多个旅行舱，这是当时飞艇达到的最高成就。

2.1软式飞艇

图1即为典型的软式飞艇构造，早期也曾称为软式飞船。软式飞艇的外形由外气囊的内外压差来保持。外气囊主要为浮力气体及副气囊的容器，同时，可以抵抗外界环境对飞艇的影响而对飞艇起保护作用。副气囊里面充满着空气，可以在周围温度及高度变化时填充或释放空气来保持外气囊的压差，并且还可以通过充/放不同位置副气囊的空气来调节飞艇的飞行姿态。另外，副气囊还能起着调节浮力大小的作用，这种作用与潜水艇的工作原理是一样的。

图1软式飞艇的构造图2 硬式飞艇的构造

2.2半硬式飞艇

半硬式飞艇同时兼有软式及硬式飞艇的特点。与硬式飞艇一样，从外气囊头部到尾部贯穿着一个具有良好气动性能形状的刚性龙骨，但是龙骨仅仅铺在外气囊底部。与软式飞艇不同，飞艇自重及其它主要荷载不是由气囊所承担，而是由刚性龙骨承担。龙骨与气囊的共同作用有优点也有缺点，对于承受自重及保持适当外形，龙骨与气囊共同作用显然能更好地分担弯矩及分散一些集中荷载。所以，对于半硬式飞艇，在设计中必须充分考虑龙骨与气囊的共同作用。一般而言，半硬式飞艇自重介于软式及硬式飞艇之间。

2.3硬式飞艇

与软式飞艇不同，硬式飞艇有着独立承载载荷的刚性结构，一般而言，内外气囊及所有外荷载均由此刚性结构承担。如图2所示，所有的外荷载都可由这些外骨架承担。刚性结构由大致成圆形的横梁以及把这些横梁连接成整体的纵向大梁构成，梁结构一般由铝制成，以获得良好的重量/承载力比。在这些主梁之间，还有一些比较小的金属线丝，以增强结构的承载力。在横梁之间，有许多气囊填充其中，气囊独立存放在横梁之间可以增加飞艇的安全性以避免飞艇在受到突然破坏时而丧失全部浮力。增加或减少不同位置的气囊气体可以调节飞艇的飞行姿态。另外，硬式飞艇对气囊材料的要求比软式飞艇要低得多，因为气囊不再需要更高的强度来支撑飞艇自重。硬式飞艇的吊舱、货舱以及推进装置一般与支撑结构相连，这就会引起应力集中现象。随着现在材料及高强连接技术的出现，人们可以设计出更高强度、更低重量的支撑结构。

3异型飞艇

上世纪末期，人们重新对飞艇有了出乎意料的兴趣。对新型飞艇的研究范围也大大扩展了，新的飞艇外形、混合运行方式、新型填充气体以及超大型载重能力的飞艇也随之出现，已经取得一些预期成果。

3.1异型外形设计

3.1.1球形飞艇

传统飞艇的外形一般为流线形母线的旋转体，这样的外形可以获得较大的浮力，而且有着较好的气动性能。然而，现代飞艇的形状可以与自由飞行的气球相似，呈现完美球形。21世纪飞艇公司建造了6个球形飞艇。这些飞艇没有控制舵，吊舱被集成到球体气囊的底部。另外，在气囊外面安装了两个推动器。尽管这种飞艇没有良好的气动性能，飞行阻力比较大，但是有其它一些良好特性：其一，在同样体积的情况下，球形的面积是最小的，也就是说，在同样浮力的情况下，它所具有的自重是最小的；其次，它飞行操作很简单，可以垂直起降，不需要起飞速度，对起飞场地几乎没有要求，也不需要系留柱等设施。球形飞艇的另一种形式是在球外侧安装一个锥形气囊，加上气囊后，飞行阻力可减少50%。

3.1.2透镜飞艇

英国一家公司Thermo Skyship 于1975年建造了第一艘透镜形状的飞艇。在1975年到1990年间，Mario Sanchez Roldan与其合伙人建造了一系列的硬式透镜飞艇MLA-24、MLA-32-A及MLA-32-B[3]。除英国以外，墨西哥、俄罗斯等国也开始尝试建造透镜式飞艇。这种形状的飞艇固有的缺陷是面积/体积比太高，非常耗费材料。但是，它却有着非常高的气动性能，在起飞过程中，对载重的敏感度非常低。另外，透镜的切面与机翼非常相似，因此，可以承载比仅依靠浮力所能提供的更重的载荷。在飞行过程中，姿态的调整也非常方便，这一切都源于它优越的气动性能。

3.1.3多囊体飞艇

1、并联型。这类飞艇的囊体由多个气囊并联而成，因而其载重能力大大加强。目前已经升空且比较成熟的有英国的SkyCat飞艇系列，根据载重不同有SkyCat20、SkyCat200、SkyCat1000三种类型，SkyCat20于2006年首飞成功，最高飞行高度达2，745米。SkyCat系列可以有多种用途，它比空运速度慢但费用便宜，比海运费用贵但速度快。因此，这种飞艇的出现，填补了海运与空运之间的空白[4]。

2、串联型。这类飞艇的囊体由多个气囊串联而成，从而增强了艇身的灵活性。德国对新型飞艇的研究是作为高空平台研究的一部分进行的，继齐柏林飞艇后，Airworm Zeppelin-1成功升空，它长19.8m，最大直径2.3，总重20kg，采用8个无电刷直流电机驱动，每个160w，最大300W，采用4套继电振动螺旋仪(偏向)稳定控制系统，速度可达12km／h，飞行高度可达8000m[5]。

3.2升浮一体技术

混合飞艇一直是飞艇研究中比较活跃的领域。传统飞艇的运行依靠轻于空气的填充气体来减少飞艇的自重，混合飞艇可以在轻于空气及重于空气双重环境下工作，弥补了传统的纯粹依靠浮力飞行的不利之处。混合飞艇的升力一部分来源于由气囊所提供的浮力，另一部分则来源于在飞行过程中，飞艇的几何形态所提供的气动升力。混合飞艇一般采用异型外形，如有翼飞艇、透镜飞艇外形等。混合飞艇结合了传统飞艇与现代飞机的优点，是未来飞艇发展的一个重要方向。

3.3其它异型设计

其它异型设计主要涉及到应用新型材料来获得更大的浮力，不仅在飞艇设计中应用了高强度材料，一些智能材料、活性材料也广泛应用艇工程中。为了应对外界环境的刺激以及对气囊的一些意外损害，已在飞艇中应用了记忆合金、压电材料、介电弹性材料等。一些研究者已经在设计建造用太阳能发电的高空飞艇甚至平流层飞艇。Lockheed Martin Maritime计划设计了高空飞艇原型，此飞艇长152米，最大直径达45.7米[6]。美国军方也建造了平流层飞艇模型CHHAPP，用来模拟无人驾驶、利用太阳能飞行于18000米高空的飞艇，以作为一种潜在的军事打击力量[7]。

4总结

本文回顾了飞艇历史起源，介绍了传统的软式、半硬式及硬式飞艇和异型飞艇的结构形式，并且讨论了球形、透镜及有翼飞艇的外形特征。另外，对诸如飞艇气囊填充气体、混合飞行方式等技术做了介绍，描述了现代飞艇的特征及未来飞艇的发展方向。

参考文献

1.王海峰, et al., 高空飞艇总体设计方法研究. 西北工业大学学报, 2007(1): p. 56-60.

2.Krammer, A., Zeppelin! Germany and the airship, 1900-1939. German Studies Review, 2003. 26(1): p. 165-167.

3.Flottau, J., British group rethinking airship for wide range of applications. Aviation Week & Space Technology, 2002. 157(13): p. 30-31.

. /projects/skycat/.2010.

5.陈务军，董石麟, 德国(欧洲)飞艇和高空平台研究与发展. 空间结构, 2006. 12.

6.Jamison, L., G.S. Sommer, and I.R. Porche Iii, High-altitude airships for the future force army. Technical Report, 2005. TR-234.

7.Li, Y.W., M. Nahon, and I. Sharf, Dynamics Modeling and Simulation of Flexible Airships. Aiaa Journal, 2009. 47(3): p. 592-605.