张震   涂晋

(中国特种飞行器研究所 湖北 荆门 448035) 

摘 要：针对平流层飞艇保形回收这一技术研究领域，在分析国内外发展现状的基础上，吸收现有技术的成熟设计和试验经验，发现存在的问题和不足，通过分析研究，提出一种新型的平流层飞艇保形回收技术——化学产气保形回收技术，该技术具有更加轻质、节能、快速的特点，具备一定的研究价值，可期望未来应用于平流层飞艇的回收过程。

关键词：平流层飞艇 保形回收 化学产气

1前言

平流层飞艇是一种可搭载多种任务设备，可在平流层高度执行预警监测、通信、广播转播、环境观测等任务的平台系统，具有升空高度高、留空时间长、用途广泛、生存力强、可重复使用、使用维护成本低等特点，在军民用领域，平流层飞艇都有着迫切的应用需求和广阔的应用前景。

平流层飞艇一般体型较大、气室众多，且长期工作在约20公里高的平流层，为保证飞艇的安全返回，节约维护成本，提高利用率，平流层飞艇更可靠的保形回收技术势必将得到进一步发展，

本文在研究分析目前国内外在平流层飞艇领域的保形回收技术发展现状的基础上，提出了一种更加轻质、节能、快速的飞艇保形回收技术——化学产气保形回收技术，同时分析了该技术的应用优势、研究内容、研究难点等问题。

2 国内外发展现状

2.1 国外发展现状

在平流层飞艇研究领域，国外已有多款产品完成了试飞试验。2009年，在美国陆军空间与导弹防御司令部的支持下，洛克希德•马丁公司研制成功高空长航时验证艇（HALE-D），载重23千克在18千米高度下飞行两周。HALE-D飞艇是采用了多级轴流风机作为回收控制的核心部件，该技术相对成熟，但对艇上能源有较高要求，依赖充足的能源供应，且设备整体重量大。美国的Aeros公司研制的一种轻型混合式飞艇（ML866），采用了自主研发的动力浮力管理系统和低速控制技术，该飞艇依靠轻质压缩机和油箱进行压缩、存储和释放氦气，从而控制飞艇的净重，实现飞艇的升空回收，但研制成本高昂，能源消耗同样巨大。除美国以外，日本和韩国也相继开展了平流层飞艇研究，但也都是采用的传统增压风机为主要充气元件，辅助完成飞艇回收，均存在着重量大、能源消耗高的问题，不利于实现飞艇保形回收。

2.2 国内发展现状

国内与国外的发展现状类似，国内主要研究单位一般也选取的传统增压风机为主要充气元件，且仅在中低空、中小型飞艇有成熟的应用，例如605所的FK4载人飞艇、超视距系列飞艇，中电38所的天舟2飞艇等，但是对于平流层飞艇而言，传统的以增压风机为主的充气回收技术存在能源消耗大、设备重量高、充气速度慢等制约因素，无法满足平流层飞艇完成保形回收的要求。

2.3 核心问题

重量大：多级轴流风机、传统增压风机、储氦高压瓶等设备自身重量较大，且平流层飞艇体积大、气室多，一般需安装多个充气设备，线缆布置也相应增多，容易使平流层飞艇的重量超标，任务载荷减小，使用性降低。

能耗高：一般采用风机充气增压的方式，依赖艇上足够的能源供应，电压要求高，产生电流大，遇到艇上能源不足或者断电故障的情况，充气设备将陷入瘫痪，飞艇安全性、任务多样性都将受到影响。

效率低：目前的大部分充气增压方式都受限于重量、电压等因素，气流量不高，充气效率低，仅能在飞艇低速回收状态下保持气动外形，在平流层飞艇需要快速穿越严苛的急流区时，便无法满足要求，无法实现保形回收。

3 化学产气的应用情况

在航空航天领域，化学产气主要应用在安全气囊和着陆缓冲系统中。美国通用动力公司于1960年代开发制造的F-111战斗轰炸机，其整体弹射座椅中便安装了安全气囊，在应急弹射的同时，触发化学反应瞬间弹出气囊，起到保护飞行员的作用。某些无人机的着陆缓冲系统中也应用到化学产气原理，在无人机着陆前，发送信号到燃气发生器，产生大量气体打开缓冲气囊，使无人机安全着陆。美国于1997年发射的“火星探路者”以及2003年发射的“勇气号”和“机遇号”火星探测器均应用到化学产气原理的气囊系统进行缓冲着陆，在着陆器着陆前几秒开始充气，几乎瞬间完成，技术相对成熟。

在汽车工业领域，汽车的安全气囊同样应用了化学产气原理，气囊内有叠氮化钠或硝酸铵等物质，当汽车在高速行驶中受到猛烈撞击时，这些物质会迅速发生分解反应，产生大量气体，充满气囊。（叠氮化钠分解产生氮气和固态钠；硝酸铵分解产生大量的一氧化二氮气体和水蒸气）。瑞典的沃尔沃轿车旗舰车型中配备了6个大小不一的安全气囊，在发生碰撞后，20到30毫秒内便可全部弹出，化学反应充气速度极快，对乘客提供最有效的保护。

4 化学产气保形回收技术的原理和优势

化学产气保形回收技术，即是在飞艇副气囊内通过控制适量的化学反应产生定量气体，保持气囊内外压差平衡，维持气动外形，完成飞艇保形回收的一种技术。

化学产气保形回收技术对平流层飞艇的优势主要体现在以下几个方面：

轻质：通过携带很少的化学反应物便可产生大量气体，极大降低了平流层飞艇充气设备重量，占用空间小，有效提高任务载荷。

节能：通过很小的电源信号驱动传感器、控制器工作便可控制化学反应产生气体，基本不消耗艇上能源，节省了能源利用，增加了可靠性。

快速：化学产气速度极快，充气效率极高，每次充气基本瞬间完成，可适应飞艇任意大速度回收过程，且能够满足保形要求。

5 化学产气保形回收技术的研究内容与难点

5.1 研究内容

1）化学产气方式研究：调研国内外基于化学产气原理的应用案例，按照不同应用场景，研究论证化学产气的方式。

2）化学产气腐蚀性研究：结合平流层飞艇囊体布材料及常用金属件的物理化学特性，进行化学产气腐蚀性研究。

3）化学产气效能研究：从单位重量、单位产气量、产气速率、安全性等方面研究化学产气效能。

4）化学产气回收控制策略研究：针对产气量需求，设计回收控制策略，并完成仿真验证，同时进行地面原理验证，兼顾过程控制，确保回收过程完全可控。

5.2 研究难点

腐蚀性：因化学物品多伴随一定的腐蚀特性，运用化学产气保形回收技术必须解决腐蚀性问题。可通过开展化学产气腐蚀性研究，科学筛选，规避存在腐蚀性的化学反应。

可控性：包括阶段产气量控制和反应过程控制。通过详细计算分析化学产气效能及平流层飞艇保形回收环境、充气量需求，解决阶段产气量控制的问题；开展化学产气地面试验，观察分析反应过程，通过采取设置反应缓冲冷却装置等措施，解决反应过程控制问题。

6 总结

化学产气保形回收技术提出了一种平流层飞艇回收过程中副气囊轻质、快速、节能的充气模式，能够有效降低艇上充气设备重量和整体功耗，节省能源利用，简化回收策略，有助于实现平流层飞艇的长期驻留和可靠保形回收，提高平流层飞艇的研制水平。

参考文献

1林华宝.着陆缓冲技术综述.航天返回与遥感.1996.9(3)：1~16

2万志敏.王莉.杜星文.缓冲气囊的特征内压.力学与实践.1998(20)：18~20

3“The History of Airbags”.About.com-New York Times Company.Retrieved 16 March 2014.

4 James C.Warrick. Advanced Airbag System for Cargo Airdrop. AIAA 2001-2047:215~223

作者简介:张震，男，汉，1989.2 本科，助理工程师，毕业于西北工业大学飞行器设计专业，主要从事浮空器综合控制研究。