复合式临近空间新概念飞艇总体技术研究

组员：蔡然1043022063刘力10430220临近空间飞艇蒙皮材料本次主要介绍内容浮生气体对舰体材料的影响12临近空间飞艇蒙皮材料的分类和总体性能特点3临近空间飞艇蒙皮材料各层材料性能特点分析临近空间飞艇蒙皮材料研究现状4我国临近空间飞艇蒙皮材料研究展望5临近空间和临近空间飞艇概念临近空间（Near space）是指距地面20～100公里的空域，由于其重要的开发应用价值而在国际上引起广泛关注。

临近空间飞艇是随着科学技术不断发展起来的一种新型近空间多功能飞行平台。

它不同于飞行在航空层中的飞机、低空飞艇,也不同于工作在低轨道上的卫星,它有非常广泛军事及民用价值,是集高空观察、通信于一体的新颖的通用航天器平台。

因而广受各国科学工作者青睐。

由于平流层飞艇不是低空飞艇,在研制的许多概念上,如工作环境、蒙皮材料、能源、动力推进等关键技术上都是截然不同于低空飞艇,许多方面临着极大的挑战。

其中最首要的问题是飞艇的材料。

平流层飞艇的蒙皮材料必须采用高强度、阻氦气渗漏性能最佳、耐侯性最好的轻质材料，否则无法研制实用的临近空间飞艇。

飞艇是利用轻于空气的气体为介质的浮空器。

轻于空气的气体很多,如甲烷、氮气、氢气、氦气、甚至经过加热的空气。

但要作为平流层飞艇的浮升气体,从目前来看主要是氢气与氦气,平流层飞艇设计工作高度,一般是在18~ 24km左右,由于在该高度的空气密度仅为地面的1/14。

因此,即使携带较少的有效载荷也需要制作很大体积的飞艇,才能胜任。

飞艇选择何种轻质气体作为浮升气体是重要的。

1937年兴登堡D-L129飞艇在美国新泽西州莱克赫斯特基地着陆时着火爆炸, 30多人罹难。

之后,氢气己退出应用于飞艇的历史舞台,美国联邦航空管理局也禁止使用氢气作为飞艇的浮力气体。

但如今科技的发展,浮升气体的用途越来越广,量也越来越大。

因此,许多学者重新提出使用氢气作为飞艇的浮升气体。

应当考虑到,平流层飞艇必竟不是载人的,况且在出现兴登堡飞艇灾难前,用氢气作为工质已经平安地工作在几十艘艇上。

中国科学家研究变体空天飞艇突破技术瓶颈(图)李晓阳提出的变体飞艇概念。

（资料图）在诸多发达国家纷纷开展临近空间可操纵浮空器的同时，一些中国的科学家们并非只在观望或者跟风，而是不墨守成规，寻找他国项目停滞不前甚至以失败告终的深层原因，从探索和建立与众不同的基础科学理论入手，大胆创新另辟蹊径。

过往各类平流层飞艇方案难以化解或绕开的结构矛盾，大多是因为需要对抗但又无法对抗大气压力而引发。

2000年，珠海新概念航空航天器有限公司[New Concept Aircraft (Zhuhai) Co., Ltd. 以下简称“珠海NCA”]的李晓阳博士，在多年研究试验的基础上提出了变体空天飞艇的创新科学理论及其实现技术，并于2005年先后获得中国和美国授予的变体空天飞艇（Transformable Airship）发明专利权。

李晓阳发现，在人类现阶段科技能力条件下，巧妙利用而不是对抗大气压力，才是能否真正实现临近空间可操纵浮空器的关键所在，与众不同的变体飞艇正是沿着这个思路而创造的。

与历史上通过改变重量来调节净静升力的各类硬式、软式和半硬式飞艇基本原理不同，李晓阳的变体飞艇是通过自适或可控改变其容积来调节净静升力，这个基本原理上的全新创造，能够化解种种相互制约、阻碍临近空间可操纵浮空器进程的技术难点。

简单来说，变体飞艇是通过现有科技条件下可行的技术方法，借助大气压力使飞艇能够实现自适或可控的数十倍容积变化，利用而不是对抗大气压力，改变其净静升力和垂直向的运动，变体过程中能保持可操纵性和动升力，从而实现从地面到临近空间的三维全向可控飞行或定点悬浮。

变体飞艇突破了临近空间可操纵浮空器必须面对的多项技术瓶颈，例如：变体飞艇利用了大气压强这个取之不尽的能源，巧妙的变体结构能够根据各个高度的大气压力，利用微压差致动来自动增大或缩小艇体体积而浮力相对不变，其变容积艇壳和轻质气体仓都无需承受压力，因此其合成艇体的总面密度极低。

临近空间飞艇新型超压加筋结构布局优化设计结合临近空间环境特点，致力于发展低能耗、高效率的能源控制系统的目标，开展了临近空间飞艇新型超压加筋结构布局优化设计技术研究。

本文以某型临近空间飞艇为例，提取其中能源控制系统某一功能部件，建立南瓜形加筋结构的近似模型，并利用多学科优化软件Isight集成Nastran对加筋结构进行布局优化设计；然后将优化结果制造加工出试验件，进行地面原理性超压试验，最终对其进行了爆破试验，试验结果表明加筋结构的极限承载能力与爆破试验值基本相符，误差仅为3.3%，完全满足工程精度要求，达到了预期目的。

标签：临近空间；加筋结构；布局优化设计1 引言介于临近空间飞艇在长时间监控侦查和通信中继方面的卓越性能，中国、美国、欧洲、日、韩等航空强国纷纷投入巨资竞相研发临近空间飞艇。

截至目前，从总体发展水平上看，国、内外临近空间飞艇仍处于关键技术攻关阶段。

临近空间飞艇在驻空期间，常采用风机向副气囊内部充入空气，来维持内外压差，但是考虑到平流层的运行环境相对比较苛刻，风机的工作效率将会大打折扣，从功能可行性角度来看有很大难度。

如果临近空间飞艇仍然基于常规飞艇的思路解决这个问题，必然导致飞艇能源供给紧张，增加飞艇的系统设备重量，如何解决临近空间飞艇的能源瓶颈问题，实现较高的实用价值非常关键。

临近空间飞艇新型超压结构作为一种新的发展思路，将超压加筋囊体作为储能工具，实现飞艇驻空过程中的压力调节与控制。

通过该技术的应用可以省去飞艇在驻空过程中为调节压力所需预留的部分副气囊，更重要的是解决能源系统矛盾，降低能源系统重量。

国内、外在充气式超压结构方面都有着大量的研究。

超压及充气结构凭借着其刚度大、成本低、易操作等特点，也广泛用于民用领域，比如各种气体建筑等。

2 加筋结构布局设计2.1 优化模型的描述本文提出的加筋结构主要由蒙皮（气囊）、加筋条、加强条等组成。

在进行超压加筋结构设计时，需要考虑各种结构外形下的加筋结构的重量、强度等因素，从中选择一个较优的结构外形进行下一轮的布局优化。

简述飞艇技术发展现状与趋势本文主要介绍了飞艇的发展近况和发展趋势，阐述了低空大载重飞艇和高空飞艇的关键技术问题。

我国对飞艇的研究相比国外从认识到技术还有一定的距离，处于起步阶段。

标签：低空飞艇;高空飞艇;发展趋势0 引言飞艇在运行中存在的问题主要是这种轻于空气的航空器靠充入气囊中的浮升而得到空气的静升力，因而体积相比重于空气的航空器要大很多。

飞艇吊舱及其他附属物的分布主要考虑飞艇纵向和竖向平面内的平衡，对于常规飞艇外形，其外部的气动升力相对于静升力可以忽略。

为了克服飞艇体积大而难于操纵的困难，发挥其留空时间长而耗能少的特点，目前，世界各国都在开展将空气静升力和空气动升力相结合和混合式飞艇（也称组合式飞艇），典型的有飞艇+飞机组合，飞艇+直升机组合。

组合式飞艇主要用于大载重、远距离运输，依靠飞艇艇囊和其他部分的静升力平衡其自重，利用机翼或直升机产生的气动升力来提升重物，这样飞艇的体积大大减小，操纵性能得到改善，也大大提高了有效载荷。

组合式飞艇集空气静力与空气动力于一身，其研究发展的困难在于飞艇艇囊的其他构件（如机翼）的连接，对于常规飞艇，艇囊大多为软式结构（硬式低空飞艇终止于二次世界大战前），结构质量较轻、强度小，若是连接机翼或多个螺旋桨结构，其复杂性和结构质量将大大增加，且流场模拟分析比较困难。

1 低空飞艇的研究现状和发展趋势低空飞艇是指运行于大气中对流层区（距海平面约18km）的飞艇，与二次世界大战前的飞艇相比，其明显的改进是发动机台数由原来的3～8台减少到现在的2～3台，这主要归功于单台发动机功率的提高，有效载荷比率也得以提高。

基于高强度、轻质材料和飞艇蒙皮制作技术的改进，现代低空飞艇大多采用软式结构。

不论是无增升类型、部分增升类型还是全增升类型，对于低空飞艇，除了要有足够的艇囊体积提供静升力外，设计一个好的流线型外形以减少空气阻力，从而减少发动机的燃油消耗率。

另外，低空飞艇主要是民用领域，也有的用于低空雷达预警等军事领域。

• 202•平流层飞艇平台是一种以空气浮力为主要重力平衡形式的临近空间飞行平台。

在空中飘浮时通过浮力减少自身的重力作用，同时运用能量的传递增加空中长时间停留的可能性。

而飞行空间的低密度意味着需要更大的体积，更大的体积又带来更大的阻力。

目前大多数的设计方案倾向于采用轻于空气的软式飞艇，这种平流层飞艇内部携带充有氦气的气囊，以提供静浮力作为升力。

因此飞艇总体设计时需要平衡两个基本矛盾，重量与浮力的矛盾，阻力与能源动力的矛盾。

同时飞艇可以长时间驻留在空中，对载荷的可靠性也有较高的要求，对于雷达系统来说需要考虑电源的调节系统，可以通过自检设计、安全性设计等实现电源子系统的完备自检监控，满足飞艇总体设计可靠性要求。

1 飞艇总体方案评估基本特征在总体方案设计时需要注意以下的几个条件，遵循基本原理的构成设定。

（1）飞艇形式考虑稳定性，机动性等，在设计上保留了低阻力气囊，包括内层气囊和围绕在外部的外层气囊。

浮力源主要采用氦气进行充实，内层气囊充入空气。

飞行的高度主要是通过调节内层气囊的空气来控制。

外表尺寸多为椭圆形球体，减少空气阻力。

（2）运动形式大多采用电动机驱动高空螺旋桨，通过螺旋桨的运行来带动飞艇的运动，为其提供行走和停留所需的动力。

（3）为保证燃料电池在恶劣多变的环境中具有高稳定性和可靠性，实现24h 能量平衡，设计了专用控制器对燃料电池进行控制。

（4）材料使用上多为轻质高强度的材料，确保在平流层空气稀薄、浮力小的状态下保持飞艇的浮力，同时要抗紫外线老化，密封性能好的特点，制作时采用高频热熔焊接。

2 若干单项技术指标描述2.1 结构材料考虑到平流层中空气浮力小，要克服飞艇自身重力带来的影响，需要合理选择飞艇内外囊体材料的密度。

经过研究计算，内外囊体材料的密度指标提升可以带来浮力方向上的最好收益，通常上来说，就是不断增加飞艇表面的面积，减少材料的质量，获得囊体材料面密度的大幅度降低，进而获得重量与浮力之间的矛盾减弱，取得最大收益的结构形式。

中国临近空间可操纵浮空器研究走在世界前沿近百年来，虽然世界各国没有停止过以各种方法对临近空间的探索，但其一直处于不瘟不火的状态，然而最近十几年，临近空间经济（以下简称“临空经济”）活动日益成为一个世界性的热门话题。

由于对临近空间潜在的巨大商业、政治和军事利益有了更为深刻的认识，包括美国、俄罗斯、英国、德国、日本等在内的发达国家都加大了对临近空间进行探索的力度和频率，纷纷展开各类临近空间可操纵浮空器的研制。

不过，由于受到基础理论、技术方法等方面的制约，上述国家的多项临近空间可操纵浮空飞行器（或称“平流层飞艇”）开发计划要么阻力重重停滞不前，要么彻底偃旗息鼓。

与众不同的是，在这个过程中，中国科学家大胆创新、默默耕耘，从探索和重建基础科学理论入手，在临近空间可操纵浮空器的构造、材料、控制、信息获取和通信方法等方面，开辟了一条全新的可行之路，使中国在该领域的研究与创造开始走在世界的前沿。

关于临近空间的定义，目前各国的共识是指海拔高度在20~100千米的空域范围。

由于这个空域的空气过于稀薄，以致大多数飞机都无法在该空域飞行。

而相对于卫星来说该空域的万有引力又显得过大，卫星无法在这个空域某一高度的轨道上环绕地球运行。

因此，目前还没有任何人造的可操纵飞行器能在该空域长航时飞行或定点驻留。

最近十几年里，以美国、俄罗斯、英国、德国、日本等发达国家为代表的许多国家都加快了对临近空间进行探索利用的步伐，临空经济如今已成为世界范围内的一个热门话题。

之所以出现这种现象，是因为各国越来越透彻地认识到，能否充分开发和利用临近空间，关乎国家的科技竞争力、经济、政治、国防安全，和一个国家未来在空天一体化发展进程中所处的位置。

从经济上来讲，临近空间开发利用的目的之一，是通过布置在该空域的临近空间可操纵浮空器（Near Space Controllable Aerostat）来替代亚轨道卫星部分功能，完成各种以前只能靠卫星才能完成的工作，比如农作物产量估计、天气预报、恶劣天气预警、大地观测、通信中继等，从而大大降低业务成本和提高综合效益。

临近空间飞行器动力系统发展趋势分析作者：郭适俊来源：《科技传播》 2018年第24期摘要临近空间飞行器是近几年的研究热点，其可以被广泛应用在军事、通信等多个领域，具有远大的应用前景。

文章针对临近空间飞行器的推进问题，总结了当前动力系统的研究现状，详细分析了冲压发动机、爆轰发动机等动力系统的特点、优劣及实现可能性，探讨了动力系统未来的发展趋势。

关键词临近空间飞行器；动力系统；太阳能；冲压发动机；爆轰发动机中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）225-0122-021 研究背景临近空间飞行器，是指在临近空间范围内作持续或高速飞行的飞行器，其飞行高度为20到100千米，介于飞机和卫星飞行高度之间，在军事侦察、通信、对地作战以及民用观测、探测、通信等方面有着重要的开发应用前景。

一方面，临近空间高度跨度大，空气稀薄且不受雨雪等恶劣天气的影响，特别适合高速飞行和长时驻空；另一方面，气体密度小、分布不均匀，且伴随复杂的电离现象，常规的发动机无法在临近空间使用，为临近空间动力系统的研究提出了挑战。

按照飞行速度，临近空间飞行器可分为低动态飞行器和高动态飞行器。

低动态临近空间飞行器主要有浮空气球、平流层飞艇以及高空低速无人机等，速度较低，执行侦察、观测、通信等任务；高动态临近空间飞行器主要为高超声速飞行器，执行精确打击、战略威慑等任务。

不同的应用背景对飞行器的动力系统提出了不同要求，而在当前主要的研究热点中，谁会是未来动力系统应用的主流呢？2 低动态临近空间飞行器按照动力类型，低动态临近空间飞行器可分为升力型、浮力型和升浮一体型。

高空飞艇和气球等为浮力型，即通过向内部充灌氦气等密度小的气体从而产生浮力上升，并通过气压调节、电动螺旋桨等手段对飞行高度进行控制，机动能力较差，技术难度也相对较低。

在回收和发射时及时性不强，且飞行高度受到压强的限制，但是其优点为节约能量，能够长期滞留空中。

临近空间飞艇内部自然对流的流场特征仿真
佚名
【期刊名称】《国防科技大学学报》
【年(卷),期】2015(000)004
【摘要】针对临近空间飞艇，对其内部氦气的自然对流特征进行了数值模拟。

采用计算流体力学方法，并利用自编的用户自定义函数将外部的温度边界条件导入壁面网格。

在不同的稳态条件下，通过对内部氦气压力、温度、速度的分布等流场特征参数的研究，分析了临近空间飞艇内部气体自然对流的运动特性及其影响规律，并对自然对流非稳态变化过程进行了初步的探索。

仿真结果表明，在临近空间环境下，飞艇内部氦气的自然对流，对于内部氦气自身的热交换具有一定程度的促进作用，而对蒙皮受力和结构安全性影响很小。

【总页数】6页(P9-14)
【正文语种】中文
【中图分类】O351.2
【相关文献】
1.临近空间飞艇全数字仿真设计与实现 [J], 李静
2.临近空间飞艇内部自然对流换热计算研究 [J], 张贺磊;方贤德;戴秋敏
3.临近空间伞张式飞艇气囊结构协同仿真研究 [J], 刘成业;宋笔锋;王海峰
4.临近空间飞艇外形优化设计与仿真 [J], 杨燕初;王生;顾逸东;李英堂;苗景刚
5.基于灰色关联分析的临近空间飞艇虚拟试验模型验证 [J], 董若楠;颜坤;林连雷;杨欣;蔡明
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无人机创新项目56：复合式飞艇
创意简述：我们这款飞行器是将飞艇与旋翼无人机和固定翼无人机相结合的多功能复合式飞行器，并且是可实现全自主作业的智能型飞行器。

这款飞行器是将现有主流飞行器的优点相结合，利用飞艇的续航时间长、载重大的特点，可倾转旋翼改变飞行方式，可垂直起降、精准悬停、操控灵活的特点，还有固定翼的飞行速度快、飞行距离远的特点，来实现飞行器的效益最大化。

这款飞行器可搭载多种作业设备，可用来做广告宣传，测绘，监视，航空拍摄等。

这款飞行器，必定会在未来应用前景十分广阔。

新概念潜艇技术发展趋势研究张旭贾地钱正芳（海军装备研究院舰船所）[摘要] 为了打赢下一场战争，各国都在认真研究未来战争样式和特点，积极探索新概念装备和技术，潜艇具有隐蔽性好、打击突然等特点，历来受到各国海军的高度重视，面向未来，对新概念潜艇的研究目前十分活跃。

本文分析了目前已公布的新概念潜艇概念图象，对关键技术进行了研究和总结。

[关键词]新概念潜艇关键技术哲学中，概念是思维对事物本质特征的反映，因此，从历史唯物的视角来看，概念作为思维运动的结果是相对的和发展的，新概念是相对于传统概念的发展，具体说来，新概念潜艇就是与传统概念潜艇在名称、定义、例子和属性等方面有着巨大创新和突破的未来潜艇。

人类社会正在从工业时代向信息时代过渡，信息革命的浪潮正在荡涤工业时代的军事思想、文化、作战方法、组织编成和武器装备。

面对剧烈变化的国际形势、迅猛发展的高新技术，为了打赢下一场战争，各国都在认真研究未来战争样式和特点，积极探索新概念装备和技术已成为当前世界军事装备与技术发展领域最鲜明的时代特征之一。

一、国外新概念潜艇研究概况潜艇具有隐蔽性好、打击突然等特点，历来受到各国海军的高度重视，面向未来，为了应对下一次可能出现的海上危机，各发达国家都在积极探索和发展自己的新型高性能潜艇装备，对新概念潜艇的研究目前十分活跃，其中，美国、俄罗斯、英国、法国等国公布了各自新概念潜艇的图象。

1、美国1）美国Forward PASS研究组设计的新一代潜艇该型艇艇长156m，耐压壳直径10.35m，非耐压壳体直径12.8m，正常排水量为10200t，装载72枚“战斧”导弹，12枚重型鱼雷，2个无人潜器，取消指挥台围壳装置，潜艇尾部采用X型艇尾，综合电力推进系统、艇艏共形声呐阵列、先进的信号控制系统。

2）美国电船公司推出的21世纪新概念潜艇该型艇完全采用扁平外形，保留指挥台围壳并与艇体融为一体，采用外挂式武器发射装置及垂直发射系统，采用X型艉翼。