淺析飛艇結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展

1、<p>　　淺析飛艇結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展</p><p>　　摘要：本文介紹了不同類型飛艇結(jié)構(gòu)的發(fā)展，及軟式、半硬式及硬式飛艇的概況。其次，根據(jù)不同外形、不同浮升氣體、不同運(yùn)行狀態(tài)以及載荷能力大小而引起的飛艇不同特性，介紹了異型飛艇結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀。然后，及飛艇領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。最后，回顧了飛艇結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展歷程并描述了未來飛艇的發(fā)展方向。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：飛艇；浮空飛行器；飛

2、艇外形 </p><p>　　中圖分類號(hào)：V11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)： </p><p><b>　　1前言 </b></p><p>　　利用空氣浮力懸浮空中飛行的飛行器，一般來說，有飛艇與高空氣球兩種。從最開始的熱氣球到有著封閉囊體的氫氣球、高空探測(cè)氣球、飛艇以及最近方興未艾的應(yīng)用新材料、新技術(shù)的新型浮空飛行器。本文所介紹的飛艇，是指

3、由封閉囊體中的氣體提供浮力，且自身攜帶推進(jìn)及控制系統(tǒng)的浮空飛行器[1]。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及飛行控制方式的不同，飛艇種類有傳統(tǒng)型飛艇及異型飛艇，混合飛艇、重型浮力飛艇及高攻角飛艇，還有浮力輔助飛艇等。熱氣球及高空氣球并不屬于此列，因?yàn)檫@兩種飛行器自身沒有攜帶推進(jìn)裝置。另外，由飛艇囊體結(jié)構(gòu)形式可劃分為軟式飛艇、半硬式飛艇及硬式飛艇；異型飛艇的主要特征，如：浮力的提供方式、飛艇的外形、動(dòng)力的來源等與傳統(tǒng)型飛艇均有不同?？傊?，傳統(tǒng)型飛艇具有的特征是

4、：繞旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的流線形外形、由囊體中氣體提供浮力、載重量低、由燃料提供動(dòng)力。所有其它飛艇統(tǒng)稱為異型飛艇。 </p><p><b>　　2傳統(tǒng)型飛艇 </b></p><p>　　早期飛艇概念來源于在氣球上捆綁推進(jìn)系統(tǒng)。世界上第一艘飛艇是法國(guó)工程師H吉法爾于1852年發(fā)明的。橄欖型的飛艇長(zhǎng)44米，直徑12米，在軟式氣囊下有一個(gè)三角形的風(fēng)帆用來操縱飛行方向，在吊籃內(nèi)裝有

5、一臺(tái)3馬力的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一副三葉螺旋槳。1852年9月24日，吉法爾從巴黎馬戲場(chǎng)起飛，以大約5公里的時(shí)速飛行到28公里外的德拉普,成為當(dāng)時(shí)轟動(dòng)一時(shí)的新聞，給飛艇業(yè)帶來極大的推動(dòng)。硬式飛艇的出現(xiàn)，才使其真正進(jìn)入實(shí)用階段。所謂硬式飛艇，是指由金屬、木材等制成框架，再在表面蒙上蒙布的，靠完整的骨架結(jié)構(gòu)保持外形的飛艇。第一艘硬式飛艇是由奧匈帝國(guó)的一個(gè)木匠于1890年設(shè)計(jì)并建造的，它的龍骨及蒙皮由鋁構(gòu)成，這樣保證了飛艇的穩(wěn)定性以承受更大的重量及

6、意外的撞擊等。第一次世界大戰(zhàn)前，德國(guó)在飛艇發(fā)展中走到了世界前列，Luftschiff-bau Zeppelin公司成為硬式飛艇的主要制造商。飛艇史上最傳奇的人物馮&#8226;齊柏林成為飛艇制造的先鋒，他于1900年7月制造出齊柏林飛艇1號(hào)—LZ1號(hào)，它長(zhǎng)128米，最大直徑11.7米，速度可達(dá)20千米每小時(shí)[2]。第一次世界大戰(zhàn)中，齊柏林飛艇主要被用于軍事領(lǐng)域。隨后，</p><p><b>　

7、　2.1軟式飛艇 </b></p><p>　　圖1即為典型的軟式飛艇構(gòu)造，早期也曾稱為軟式飛船。軟式飛艇的外形由外氣囊的內(nèi)外壓差來保持。外氣囊主要為浮力氣體及副氣囊的容器，同時(shí)，可以抵抗外界環(huán)境對(duì)飛艇的影響而對(duì)飛艇起保護(hù)作用。副氣囊里面充滿著空氣，可以在周圍溫度及高度變化時(shí)填充或釋放空氣來保持外氣囊的壓差，并且還可以通過充/放不同位置副氣囊的空氣來調(diào)節(jié)飛艇的飛行姿態(tài)。另外，副氣囊還能起著調(diào)節(jié)浮力大小

8、的作用，這種作用與潛水艇的工作原理是一樣的。 </p><p>　　圖1軟式飛艇的構(gòu)造圖2 硬式飛艇的構(gòu)造 </p><p><b>　　2.2半硬式飛艇 </b></p><p>　　半硬式飛艇同時(shí)兼有軟式及硬式飛艇的特點(diǎn)。與硬式飛艇一樣，從外氣囊頭部到尾部貫穿著一個(gè)具有良好氣動(dòng)性能形狀的剛性龍骨，但是龍骨僅僅鋪在外氣囊底部。與軟式飛艇不同，

9、飛艇自重及其它主要荷載不是由氣囊所承擔(dān)，而是由剛性龍骨承擔(dān)。龍骨與氣囊的共同作用有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，對(duì)于承受自重及保持適當(dāng)外形，龍骨與氣囊共同作用顯然能更好地分擔(dān)彎矩及分散一些集中荷載。所以，對(duì)于半硬式飛艇，在設(shè)計(jì)中必須充分考慮龍骨與氣囊的共同作用。一般而言，半硬式飛艇自重介于軟式及硬式飛艇之間。 </p><p><b>　　2.3硬式飛艇 </b></p><p>　

10、　與軟式飛艇不同，硬式飛艇有著獨(dú)立承載載荷的剛性結(jié)構(gòu)，一般而言，內(nèi)外氣囊及所有外荷載均由此剛性結(jié)構(gòu)承擔(dān)。如圖2所示，所有的外荷載都可由這些外骨架承擔(dān)。剛性結(jié)構(gòu)由大致成圓形的橫梁以及把這些橫梁連接成整體的縱向大梁構(gòu)成，梁結(jié)構(gòu)一般由鋁制成，以獲得良好的重量/承載力比。在這些主梁之間，還有一些比較小的金屬線絲，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載力。在橫梁之間，有許多氣囊填充其中，氣囊獨(dú)立存放在橫梁之間可以增加飛艇的安全性以避免飛艇在受到突然破壞時(shí)而喪失全部浮力

11、。增加或減少不同位置的氣囊氣體可以調(diào)節(jié)飛艇的飛行姿態(tài)。另外，硬式飛艇對(duì)氣囊材料的要求比軟式飛艇要低得多，因?yàn)闅饽也辉傩枰叩膹?qiáng)度來支撐飛艇自重。硬式飛艇的吊艙、貨艙以及推進(jìn)裝置一般與支撐結(jié)構(gòu)相連，這就會(huì)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著現(xiàn)在材料及高強(qiáng)連接技術(shù)的出現(xiàn)，人們可以設(shè)計(jì)出更高強(qiáng)度、更低重量的支撐結(jié)構(gòu)。 </p><p><b>　　3異型飛艇 </b></p><p>

12、　　上世紀(jì)末期，人們重新對(duì)飛艇有了出乎意料的興趣。對(duì)新型飛艇的研究范圍也大大擴(kuò)展了，新的飛艇外形、混合運(yùn)行方式、新型填充氣體以及超大型載重能力的飛艇也隨之出現(xiàn)，已經(jīng)取得一些預(yù)期成果。 </p><p>　　3.1異型外形設(shè)計(jì) </p><p>　　3.1.1球形飛艇 </p><p>　　傳統(tǒng)飛艇的外形一般為流線形母線的旋轉(zhuǎn)體，這樣的外形可以獲得較大的浮力，而且有著

13、較好的氣動(dòng)性能。然而，現(xiàn)代飛艇的形狀可以與自由飛行的氣球相似，呈現(xiàn)完美球形。21世紀(jì)飛艇公司建造了6個(gè)球形飛艇。這些飛艇沒有控制舵，吊艙被集成到球體氣囊的底部。另外，在氣囊外面安裝了兩個(gè)推動(dòng)器。盡管這種飛艇沒有良好的氣動(dòng)性能，飛行阻力比較大，但是有其它一些良好特性：其一，在同樣體積的情況下，球形的面積是最小的，也就是說，在同樣浮力的情況下，它所具有的自重是最小的；其次，它飛行操作很簡(jiǎn)單，可以垂直起降，不需要起飛速度，對(duì)起飛場(chǎng)地幾乎沒有要

14、求，也不需要系留柱等設(shè)施。球形飛艇的另一種形式是在球外側(cè)安裝一個(gè)錐形氣囊，加上氣囊后，飛行阻力可減少50%。 </p><p>　　3.1.2透鏡飛艇 </p><p>　　英國(guó)一家公司Thermo Skyship 于1975年建造了第一艘透鏡形狀的飛艇。在1975年到1990年間，Mario Sanchez Roldan與其合伙人建造了一系列的硬式透鏡飛艇MLA-24、MLA-32-A及

15、MLA-32-B[3]。除英國(guó)以外，墨西哥、俄羅斯等國(guó)也開始嘗試建造透鏡式飛艇。這種形狀的飛艇固有的缺陷是面積/體積比太高，非常耗費(fèi)材料。但是，它卻有著非常高的氣動(dòng)性能，在起飛過程中，對(duì)載重的敏感度非常低。另外，透鏡的切面與機(jī)翼非常相似，因此，可以承載比僅依靠浮力所能提供的更重的載荷。在飛行過程中，姿態(tài)的調(diào)整也非常方便，這一切都源于它優(yōu)越的氣動(dòng)性能。 </p><p>　　3.1.3多囊體飛艇 </p>

16、;<p>　　1、并聯(lián)型。這類飛艇的囊體由多個(gè)氣囊并聯(lián)而成，因而其載重能力大大加強(qiáng)。目前已經(jīng)升空且比較成熟的有英國(guó)的SkyCat飛艇系列，根據(jù)載重不同有SkyCat20、SkyCat200、SkyCat1000三種類型，SkyCat20于2006年首飛成功，最高飛行高度達(dá)2，745米。SkyCat系列可以有多種用途，它比空運(yùn)速度慢但費(fèi)用便宜，比海運(yùn)費(fèi)用貴但速度快。因此，這種飛艇的出現(xiàn)，填補(bǔ)了海運(yùn)與空運(yùn)之間的空白[4]。 &

17、lt;/p><p>　　2、串聯(lián)型。這類飛艇的囊體由多個(gè)氣囊串聯(lián)而成，從而增強(qiáng)了艇身的靈活性。德國(guó)對(duì)新型飛艇的研究是作為高空平臺(tái)研究的一部分進(jìn)行的，繼齊柏林飛艇后，Airworm Zeppelin-1成功升空，它長(zhǎng)19.8m，最大直徑2.3，總重20kg，采用8個(gè)無電刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)160w，最大300W，采用4套繼電振動(dòng)螺旋儀(偏向)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，速度可達(dá)12km／h，飛行高度可達(dá)8000m[5]。 </

18、p><p>　　3.2升浮一體技術(shù) </p><p>　　混合飛艇一直是飛艇研究中比較活躍的領(lǐng)域。傳統(tǒng)飛艇的運(yùn)行依靠輕于空氣的填充氣體來減少飛艇的自重，混合飛艇可以在輕于空氣及重于空氣雙重環(huán)境下工作，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的純粹依靠浮力飛行的不利之處。混合飛艇的升力一部分來源于由氣囊所提供的浮力，另一部分則來源于在飛行過程中，飛艇的幾何形態(tài)所提供的氣動(dòng)升力?；旌巷w艇一般采用異型外形，如有翼飛艇、透鏡飛艇外

19、形等?；旌巷w艇結(jié)合了傳統(tǒng)飛艇與現(xiàn)代飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，是未來飛艇發(fā)展的一個(gè)重要方向。 </p><p>　　3.3其它異型設(shè)計(jì) </p><p>　　其它異型設(shè)計(jì)主要涉及到應(yīng)用新型材料來獲得更大的浮力，不僅在飛艇設(shè)計(jì)中應(yīng)用了高強(qiáng)度材料，一些智能材料、活性材料也廣泛應(yīng)用于飛艇工程中。為了應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的刺激以及對(duì)氣囊的一些意外損害，已在飛艇中應(yīng)用了記憶合金、壓電材料、介電彈性材料等。一些研究者已經(jīng)在設(shè)

20、計(jì)建造用太陽(yáng)能發(fā)電的高空飛艇甚至平流層飛艇。Lockheed Martin Maritime計(jì)劃設(shè)計(jì)了高空飛艇原型，此飛艇長(zhǎng)152米，最大直徑達(dá)45.7米[6]。美國(guó)軍方也建造了平流層飛艇模型CHHAPP，用來模擬無人駕駛、利用太陽(yáng)能飛行于18000米高空的飛艇，以作為一種潛在的軍事打擊力量[7]。 </p><p><b>　　4總結(jié) </b></p><p>　　

21、本文回顧了飛艇歷史起源，介紹了傳統(tǒng)的軟式、半硬式及硬式飛艇和異型飛艇的結(jié)構(gòu)形式，并且討論了球形、透鏡及有翼飛艇的外形特征。另外，對(duì)諸如飛艇氣囊填充氣體、混合飛行方式等技術(shù)做了介紹，描述了現(xiàn)代飛艇的特征及未來飛艇的發(fā)展方向。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　1.王海峰, et al., 高空飛艇總體設(shè)計(jì)方法研究. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),

22、 2007(1): p. 56-60. </p><p>　　2.Krammer, A., Zeppelin! Germany and the airship, 1900-1939. German Studies Review, 2003. 26(1): p. 165-167. </p><p>　　3.Flottau, J., British group rethinking airsh

23、ip for wide range of applications. Aviation Week & Space Technology, 2002. 157(13): p. 30-31. </p><p>　　4.aerospace-technology.com. http://www.aerospace-technology.com/projects/skycat/.2010. </p>

24、<p>　　5.陳務(wù)軍，董石麟, 德國(guó)(歐洲)飛艇和高空平臺(tái)研究與發(fā)展. 空間結(jié)構(gòu), 2006. 12. </p><p>　　6.Jamison, L., G.S. Sommer, and I.R. Porche Iii, High-altitude airships for the future force army. Technical Report, 2005. TR-234. </p&g