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【航空】复活的巨人:记飞艇发展史(深度好文)
梅西 2015-11-20
导语

进入21世纪,美国军方接连启动了好几个充气飞艇项目,其中委托英国“混合空中飞艇公司”(简称HAV)研制的“长航时多任务飞行器”(简称LEMV)已经成功地首飞,但在军费裁减的大潮中被迫下马。HAV公司把LEMV买下来,运回英国,继续研发,并准备按照Airlander 10和Airlander 50两个产品系列,Airlander 10具有载重10吨的能力,更大的Airlander 50将能载重50吨。除了HAV,洛克希德也研制了P791飞艇,ATG公司的“天猫”则是另一个类似的研究项目。淡出人们视界已久的飞艇为什么突然又重获青睐呢?

1903年12月17日莱特兄弟在小石城外大草地上历史性的一跃,开创了人类动力飞行的时代。但法国人蒙特戈菲埃尔兄弟在1783年11月21日成功地演示了载人的热气球自由飞行,1795年法国军队就把载人的热气球用于空中侦察。现代工业可以大量制备氢气之后,不需要加热的氢气球开始流行,具有动力推进的氢气飞艇在一战时代十分流行,德国飞艇甚至轰炸巴黎和伦敦,尽管心理作用大于实战价值。20-30年代是飞艇的顶峰,1928年10月,德国的“齐柏林伯爵”号飞艇成功地飞越大西洋,直达美国。但1937年5月6日的“兴登堡”号空难终结了氢气飞艇的技术路线,氢气飞艇无法解决安全问题。二战之后,充气飞艇几度试图东山再起,但总是功亏一篑。直到现在。


在莱特兄弟历史性的一跃之前120年,法国人蒙特戈菲埃尔兄弟就成功地演示了载人热气球飞行


1795年,法国军队就把载人热气球用于空中侦察


第一次世界大战中,德国用飞艇轰炸伦敦,这是德国海军的L13号飞艇正在向伦敦出击


早在20年代末,德国“齐柏林伯爵”号飞艇就开通了飞往纽约的空中航线


但“兴登堡”号的灾难终结了氢气飞艇的技术路线


二战中,英国大量使用气球阻止德国飞机低空轰炸,图中为白金汉宫和宫前的维多利亚女王像

       进入21世纪,美国军方接连启动了好几个充气飞艇项目,其中委托英国“混合空中飞艇公司”(简称HAV)研制的“长航时多任务飞行器”(简称LEMV)已经成功地首飞,但在军费裁减的大潮中被迫下马。HAV公司把LEMV买下来,运回英国,继续研发,并准备按照Airlander 10和Airlander 50两个产品系列,Airlander 10具有载重10吨的能力,更大的Airlander 50将能载重50吨。除了HAV,洛克希德也研制了P791飞艇,ATG公司的“天猫”则是另一个类似的研究项目。淡出人们视界已久的飞艇为什么突然又重获青睐呢?


进入21世纪,美国军方接连启动几个飞艇项目,其中LEMV已经首飞


美国陆军对LEMV寄予厚望,但最后还是因为军费削减而被迫下马


现在成为Airlander 10(天空登陆者)


洛克希德P791是另一个飞艇项目


还有ATG“天猫”

      氢气比空气轻,用于充气飞艇可以提供升力。但氢气易燃,具有无法解决的安全问题,所以现代飞艇基本上都用氦气取代氢气。氦气的比重略重于氢气,但依然比空气轻。最重要的是,氦气是不燃的,而且化学性质稳定,安全性大大优于氢气。充气飞艇在本质上是有动力的气球。与飞机不一样,轻于空气的气球浮空不需要动力,在理论上可以永久性浮空,这一特点使得充气飞艇特别适合用于超长航时空中监视任务。在反恐战争中,美国军方对长航时无人机可以持续监视关注目标的特点非常赏识,但无人机续航时间再长,也不可能达到飞艇的水平。另一方面,动力飞行在本质上是用人为的诱导阻力换取升力的过程,需要能量才可能升空。充气飞艇依靠轻于空气的氦气升空,不消耗任何能量,所有能量都可以用于推进,油耗极大地降低,不仅降低运营费用,也有利于环保。由于飞行高度低,飞行速度慢,即使失事也有气囊内剩余升力降低下降速度,比如在灾难性的“兴登堡”号失事时,61名机组成员和36名旅客中,依然有39名机组成员和23名旅客幸存。充气飞艇还有载重量特别大的特点。“兴登堡”号的机组就有40-61人,另外载客50-72人,而同时代的DC-3客机只能搭载2人机组和21-32名旅客。不仅如此,飞艇起飞总重中,有效载荷的比重很大。Airlander 10的起飞总重为20吨,载重就达10吨,有效载荷占起飞总重达到50%,而典型现代运输机只有25-30%。

      不过充气飞艇也有一些难以克服的缺点。充气飞艇的体积非常大,“兴登堡”号长达245米,直径41.2米,相比之下,波音747只有70米长。充气飞艇巨大的迎风面积使得飞行阻力巨大,速度不可能提高,操纵也十分迟缓。巨大的侧面积则使得充气飞艇对侧风敏感,难以在大风天安全飞行。充气飞艇也有地面系留的问题。由于充气飞艇本声轻于空气,在地面停放时有自然浮空的趋势,必须可靠系留。但地面风力风向变幻莫测,漂浮在空中的充气飞艇容易与邻近的地面结构碰撞,发生危险。飘来飘去的充气飞艇也增加装卸货物或者上下旅客的困难。


但飞艇体积太大了,与“兴登堡”相比,现代飞机都小巧玲珑,至上而下为休斯Spruce Grove、A380-800、波音747-8、安-225


另一个比法:绿色为“兴登堡”,粉红色为“玛丽女王2”号,黄色为“企业”号航母,蓝色为“大和”号战列舰,灰色为帝国大厦,红色为“蒙特”号超级油船(66万吨,世界最大)

      飞机的特点则相反,速度快、操纵灵活、对气象条件相对不敏感、地面停放可靠,但航程短、油耗高、载重量小。如果把充气飞艇与飞机的特点结合起来,这就是混合式飞艇。具体来说,部分升力继续由充气气囊产生,另外部分则来自固定的机翼或者直升机一样的旋翼。两者的比例可以从具有静止浮空能力到基本靠机翼或者旋翼产生升力之间大幅度变化,形成巨大范围的新的可能性。只有有限静浮力的飞艇没有太明显的优越性,现在的重点在于结合一定飞机(或者直升机)特点的飞艇。也就是说,主要升力来自于飞艇的静浮力,机翼(或者旋翼)升力作为补充。旋翼式混合飞艇具有垂直起落、使用灵活的优点,但油耗较高;机翼式混合飞艇则需要一定的前进速度才能产生升力升空,需要一点跑道,但通常滑跑很短,长途飞行的油耗很低。从长航时、高度节油角度来说,机翼式混合飞艇更加有利。


早期混合式飞艇在概念上类似这个设想图

      早期混合飞艇采用较为流线的飞艇艇体,但加装一对大型机翼。混合式飞艇比空气重。这样,在地面时,飞艇的浮力不足以漂浮,大大改善地面作业。由于飞艇产生升力较少,飞艇艇体较小,飞行阻力显著降低。机翼面积和飞艇艇体的相对大小决定了升力产生的比例,机翼升力为主的话,整体特性接近飞机;飞艇升力为主的话,整体特性接近飞艇;设计上的自由度很大。不过直接把机翼对接在飞艇艇体上的话,结构上不好办。

      飞艇艇体有软式和硬式。软式飞艇的艇体就是巨大的橡皮胶囊,缺乏足够的刚度,无法对接机翼。硬式飞艇的艇体像飞机机体一样,由框架和桁梁构成,然后覆以柔性的密封蒙皮,对接机翼方便很多,但结构重量也较大。另一种变通的做法是采用软式飞艇,但直接把飞艇艇体设计成短粗的机翼形状,这样飞艇艇体本身就是升力体,或者相当于翼展较短的飞翼,不需要额外的机翼。由于混合飞艇的速度依然较低,飞艇-升力体的前缘圆钝反而有利于推迟气流分离,维持升力。由于飞艇产生的升力不足以升空,起飞需要一定的滑跑,速度达到一定程度时,升力体开始产生升力,混合飞艇最终达到离地速度,得以升空。这是纯粹依靠气动升力的混合飞艇,但推进发动机如果可以转向的话,在起飞、着陆阶段提供垂直推力,则可以大大缩短滑跑距离,达到无滑跑起飞和着陆。


Airlander 10的气动外形像粗短的机翼,可以转向的推力发动机可以产生额外升力,在必要的时候实现垂直起落


四台发动机都是省油的柴油机


气垫“起落架”可以在任何平地起落,无需特别准备


不过这个角度实在不敢恭维


驾驶舱异常宽敞,视界非一般飞机可比


可偏转导流片可提供推力转向

      HAV的Airlander正是这样的设计。Airlander的形状有点像一支巨大但是压扁的雪茄。更确切地说,是两支雪茄横向捆绑在一起。前1/3处两侧各有一台推进发动机,尾端两侧另有各一台推进发动机,10吨载荷的Airlander 10由4台350马力4升排量涡轮增压V8柴油机驱动,50吨载荷的Airlander 50则由4台2500马力涡桨发动机驱动。相比之下,载重量只有8.5吨的C-160“协同“运输机需要两台各6100马力的涡桨发动机推动;载重量47吨的安-70则由4台各13880马力的桨扇发动机推动。飞艇与飞机的油耗差别可想而知。

      Airlander的推进发动机的巨大的涵道螺旋桨出口处有X形整流片,可以下垂以形成垂直升力,艇尾的两台推进发动机的X形整流片还可以侧偏,作为航向控制。采用柴油机是因为油耗较低,另外柴油机扭力大,特别适合带动低转速大直径螺旋桨,有利于提高低速飞行的推进效率。如果需要,艇艏还可以增加一台相当于艏舵的侧向辅助发动机,用于航向控制。艇体内的氦气的静浮力产生60%的升力,飞行时的气动升力产生另外40%的升力。在起飞着陆时,推进发动机可以把推力转向垂直向下,产生额外升力,在载荷不超过满载40%的情况下,足以使飞艇不借助滑跑就起飞。

      艇体纵剖面是基本对称的纺锤形,上侧弧度略大于下侧,但飞行时主要靠略微上仰的姿态在艇体下表面的动压力产生升力。这是因为Airlander的最大设计速度也不过80节(约148公里/小时),长航时徘徊时速度只有20节(约37公里/小时),最大起飞重量时的起飞离地速度也只有40节(约74公里/小时)。常规机翼的上弧下平的翼型在50节(约93公里/小时)以下的速度下产生升力的效率不高,需要更大的速度才能有效地产生升力。在较小的迎角下,由于速度较低,飞艇艇体下表面的单位面积动压力有限,但艇体表面积远远大于常规飞机的机翼和机体,所以产生的空气动力升力还是足够的。常规翼型还有航速过低时的失速问题,不适合飞艇巡航速度很低的需要。Airlander没有失速速度,可以在静止和最大速度之间的任何速度安全飞行,特别适合于在固定地点长时间留空监视。当然,不借助空气动力升力的时候,有效载荷要相应降低。

      有意思的是,常规飞机也利用迎角产生升力,但这是对通过机翼翼型产生升力的补充,而不是升力的主要来源。对于常规飞机来说,迎角用压平尾来做到。但是在地面静止或者低速滑跑的时候,平尾上的气动压力不足以产生足够的抬头力矩,无法形成迎角。用加高的前起落架是可以在地面静止状态下就形成一定的迎角的,但传统座舱在机头上方,加高的前起落架使得高高扬起的机头阻挡飞行员的视线,非常不利于安全起飞与着陆,所以现在很少采用了。机翼的安装角(机翼弦线与机身轴线的夹角)也可以在地面水平滑跑时加强升力,但安装角不宜过大,否则在空中速度提高后,过大的安装角可能产生过度升力,反而需要机头下压,降低迎角,而机体则产生负升力,增加油耗。飞艇也同样通过压平尾产生抬头力矩,但还可以在艇体设计中使得艇艏上下不对称,下半略呈上努的形状,在前行的动压作用下,产生抬头力矩。飞艇艇体高大,座舱通常吊在艇体下方,天然适合这样的上努设计,而且起飞、着陆时扬起的艇头并不影响飞行员时观察前方。飞机的座舱在上方,较难实现这样的上努设计,但已经有这样的尝试了,比如美国麻省理工学院设计的D8方案。Airlander滑跑起飞时,滑跑起飞只需要4倍艇体长度的平整场地,不需要专用跑道。对于载重10吨的Airlander 10来说,这就是4倍于91米的长度,也就是364米,只有典型同吨级螺旋桨运输机的一半都不到。

       艇体材料为轻质高强致密的多层织物,具有优良的气密特性,也能耐受雨雪风霜树枝砂石的损伤。事实上,相对于飞艇的气动和动力设计,艇体材料才是飞艇的关键技术。氦气的分子仅比氢气大一点点,很容易“见缝插针”,造成泄漏,要保持密封很不容易,要同时保持高强度和低成本更不容易。LEMV采用凯夫拉、 Vectran和Mylar交织的复合织物,强度可以抵挡轻武器射击。艇体内部有若干气密分隔,一旦一个气室漏气,其他气室继续保持密封,不至于因此丧失静浮力,改善破损安全性。LEMV的设计要求能够被轻武器击中后依然能够继续浮空,最坏情况下也要能坚持到安全返航。艇体内部四周有压力调节气球,在压缩机的控制下膨胀和收缩,在不同高度保持艇体内部与环境压力之间的恒定差压,避免艇体表面受到过度张力。

      艇体下有一对又长又宽的气垫,好像倒扣的橡皮艇一样,内部有若干横向充气分隔,形成多个半气密气室,可用于在地面抽真空形成吸力,使飞艇紧紧吸附在地面,改善地面操作。Airlander对起飞、着陆场地几乎没有要求,气垫加上吸盘使得Airlander可以在任何平整的地面降落,草地、水泥地、硬土地当然没有问题,冰雪泥浆地也没有问题,甚至可以在水面上安全降落。为了在大风中安全系泊,HAV研制了简单的锚桩。可以插入艇体前下方的一个专用的孔中,这样飞艇在风中可以向风向标一样自由转动,而不至于被吹得到处乱跑。在飞行时,气垫放气后收缩进艇体;起飞着陆时,压缩机向气垫充气。压缩机与压力调节气球 共享。

      在空中,Airlander家族的飞艇(有10吨、20吨、50吨、200吨的设计)适合用于长航时监视或者运输。用作监视时,可以留空5天,载荷舱可以加压,这样就可以在5000米高空使用。美国国会预算办公室在评估LEMV时指出,与现有三种“捕食者”级无人机(美国空军的“捕食者”、“收割者”和美国陆军的“灰鹰”)相比,LEMV的载荷-留空时间显著提高。另外无人机有失速限制,速度不能太慢,围绕目标上空盘旋时必须沿一个相对较大的环形航线飞行,有时会出现周期性的丢失目标问题。飞艇可以缓慢绕行,也可以彻底静止,就没有这样的问题。在高空的飞艇也不易受到气流颠簸的影响,提供了异常稳定的监视平台,有利于提供高清图像。飞艇还有特别安静的优点,即使夜间在人烟密集地区使用,也没有像飞机或者直升机那样的噪声问题。这不仅对军警夜间监视有价值,也特别适合空中旅游,减少对敏感生态环境的干扰。


作为军用,飞艇可用于监视、中继通信、导航等



飞艇可以不依赖机场而在偏远地区长时间飞行


飞艇可以在任何平地起落,对于军用也有特殊价值


即使在未来,飞艇也有用武之地

      除了作为军用和警用监视平台外,飞艇的监视能力还可用于灾难和人道救援。在常规救援中,远程飞机首先搜索目标地区或海区,然后救援直升机抵达救援。飞艇的超长航时和垂直起落能力提供了独特的救援能力,可以搜救一体,大大提高救援效率。飞艇在低空长时间搜索中,发现等待救援对象后,可以直接降落到地面或水面,把待救人员接应上飞艇。如果地形不容许直接降落,则可下降到接近地面的高度,用救援绞车把待救人员拉上飞艇。与直升机相比,飞艇不仅航程更长,空中待命时间更长,也大大降低强大的旋翼下洗气流对待救人员的影响。事实上,海上救生时,直升机要特别避开落水人员,否则强大的下洗气流可能使落水人员淹毙。在地面,下洗气流卷起的砂石、树枝也是对待救人员的很大威胁。飞艇就较少这样的问题。

      飞艇的超长航时还适合用作通信中继。现代战场已经实现高度的信息化,但高速战场网络常常受限与战地通信基础设施的能力。卫星通信不仅有地面设备的体积和功率问题,更有通信容量问题。战场网络化要求每一个士兵、每一辆车辆、每一架飞机都入网,实时的语音、数据、图像甚至视频传送对带宽的要求成为不可承受之重。海湾战争时期,波斯湾美军只能保证1300对卫星电话的通信能力,总容量12MBPS。到反恐战争年代,一架“捕食者”就要求30MBPS,一架“全球鹰”更是要求60MBPS。可以想象,在网络战年代,一个战斗旅展开时,几千名官兵、几百辆车辆、几十架无人机的通信要求将使卫星通信不堪重负。用飞机(包括无人机)作为中继具有留空时间的限制,太阳能无人机应运而生,但依然有有效载荷和机场设施的问题。飞艇则是理想的通信中继平台。

      当然,飞艇是从载人和运货起家的。运输型飞则可以用于载人或则载货,航程可达4800公里,或者4天留空时间。作为空中运输工具,飞艇不仅具有很长的航程和很低的使用费用,而且适合点到点运输,不需要机场、码头、公路等基础设施的支持,特别适合偏远地区超重设备或者货物的运输,比如钻井、采矿、伐木等行业。这一点很重要。现代空运通常不能在点到点和远程重载之间不能兼顾,直升机能做到点对点,但不超过百把公里航程和10吨级的载重,安-124一级的超级运输机需要很长的高质量跑道的支持,而且对货物尺寸有一定的限制。飞艇则可以把长大的重型货物从厂家门口的装卸场远程直接运到用户门前的装卸场,这种能力是任何现代空运工具都做不到的,地面和水上运输工具则受到公路和水路的更大限制。飞艇的低噪音、低排放特点也有利于绿色产业产品的全过程绿色运输。飞艇宽大的货舱适合运输长大设备,Airlander 50的货舱比C-130要大270%,载重能力则相当于C-17,可以在货舱内运输6个20英尺集装箱。必要的话还可以像直升机一样外挂,进一步放开货物尺寸的限制。货舱内还有一个20吨行车,极大地便利迅速装卸货物。

      货运飞艇最大的优越性无疑是经济性。但由于速度太低,飞艇的经济性只有在载重量很大的时候才能体现出来。CH-47级的重型直升机载重量在10吨左右,C-130一级的运输机载重量在20吨左右,波音747、A380一级的运输机载重量在100吨以上。以公斤油耗/吨-公里作为经济性指标,也就是说,每飞行一公里时,运载每吨货物需要多少公斤燃油;另外以吨-公里/小时作为运能指标,也就是说,每小时飞行一公里情况下能运载多少吨。采用吨-公里可以把飞机的速度优势有效地计入,这样的比较更有意义。

    

      显然,载重量在50吨以下时,固定翼飞机的速度优势在很大程度上抵消了油耗缺点。飞艇尽管绝对油耗低,但运输同样的吨-公里需要更长的时间,累计油耗并无优势,而速度低使得运能明显落于下风。但20吨级飞艇与10吨级直升机相比,飞艇依然具有明显的经济性优势,而运能劣势相对不明显。50吨级飞艇的经济性就比较明显,不仅高于20吨级运输机,比100+吨级运输机都有提高,但依然受制于较低的速度,运能还是落后于20吨级运输机,更是远远落后于100+吨级运输机。200吨级和1000吨级飞艇的经济性大幅度领先于固定翼飞机,200吨级飞艇的运能也大大高于20吨级运输机,但直到1000吨级飞艇才超过100吨级运输机的运能。

       这一对比也揭示了飞艇的问题:飞艇具有明显的经济性,但由于速度太低,实际运能还是较低。Airlander 10是现有飞艇技术中最成熟的,只有10吨级。50吨级的Airlander 50还在纸面上,更大的200吨级和1000吨级飞艇都只是理论上的可能性,没有在近期实现的可能,但100+吨级运输机已经是现实了。飞艇还有体积过大的缺点,10吨级的Airlander 10的长度已经超过A380,1000吨级飞艇就可想而知了。飞艇要在运输领域获得较大的发展,应该在独特的点到点能力和简易平地起降能力上做文章。

除了利用气动升力的混合式飞艇,也有利用旋翼动升力的旋翼式混合飞艇



旋翼式混合飞艇特别适合长途吊运重型货物或者大型设备

      现代混合式飞艇的主流是机翼式混合飞艇,但旋翼式混合飞艇也有其特殊优越性。旋翼式混合飞艇的典型配置由飞艇和4架直升机组成,4架直升机在四角不仅提供升力,也控制平衡。典型设计由飞艇产生使全系统自重升空所需要的静浮力,旋翼升力只用于使有效载荷升空。这样的升力分配保持了混合式飞艇在地面处理略为负浮力状态,不容易随风飘荡,但旋翼出力依然大大低于同等载荷的常规直升机,改善了经济性。另外,常规旋翼不仅要提供升力,还要提供推力,所以要有复杂的铰链式桨毂,更加先进的无铰链桨毂也有独特的技术难题。旋翼式飞艇上空间和重量比较宽松,常常有专用的推进螺旋桨,旋翼只需要提供升力,不需要提供推力,大大简化了旋翼设计和飞行控制。常规旋翼还有后行桨叶失速问题,也就是说,前飞速度较高时,桨叶转动到后行的一半时,与空气的相对速度可能低于失速速度。不过飞艇速度很低,后行桨叶失速不是问题。这一切使得旋翼式混合飞艇可以利用直升机旋翼的优点,但避免了缺点。

      旋翼式混合飞艇具有载重量大、油耗低、航程远的特点,不过这是相对于直升机而言的。旋翼式混合飞艇的油耗比机翼式还是要高,航程要短,载重量要低。但旋翼式混合飞艇不需要任何跑道,特别适合用作空中起重机,短途吊运长大货物,比如把木材从伐木现场吊运到卡车装载点、把货物在近海的船上和岸上仓库之间吊运,或者作为施工用的空中起重机,协助设备安装、电线塔吊装、电线/通信电缆的铺设等。

      混合式飞艇由于飞行速度较低,气动设计较简单;多发动机本来就降低对发动机可靠性的严苛要求,充足的静浮力使得事故情况下都大多能实现软着陆,进一步降低发动机的准入门槛;对起落场地要求低、航程远、载重量大的特点更加适合用于开发广袤的西部。混合式飞艇的技术门槛低,发展潜力大,非常值得重视。


(本文原创,作者:晨枫,授权发布

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  • 飞艇
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文章评论(4)
爬上海岸的鱼[SYNNEX China]

我一个外行人,都感觉有点明白了,不错

911天前 | 回复
金陵[北京大学]

很看好混合式飞艇,飞艇的静浮力和飞机的动浮力相结合

912天前 | 回复
令狐小冲[清华大学]

好文,绝对的好文!

913天前 | 回复
梅西[北京工业大学]

这篇详细的介绍了飞艇的发展史以及未来的趋势和应用领域,很全面。

913天前 | 回复
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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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