2020-2024年中國臨近空間飛行器的分析

來源:中投投資咨詢網 2020-07-08 11:44中投網 A-A+

  我國平流層飛艇研發進展

  一、寬艇體平流層飛艇即載重樣艇

  2018年5月28日,達天飛艇公司牽頭組建的“平流層飛艇聯盟”聯合研發的寬艇體平流層飛艇即載重樣艇在寧夏回族自治區試飛。

  該次試飛的CA-T24R型飛艇是一艘縮比艇,試飛過程中,模擬起降和檢驗試飛共7個架次2小時,試飛取得成功。雖然飛行時間只有短短兩個小時,卻在國內平流層飛艇界引起了不小的震動。

  該次試飛成功的達天CA-T24R型飛艇外形采用了三囊寬體的設計。這樣的設計在靜浮力基礎上增加了氣動升力,結合了傳統飛艇技術和固定翼、旋翼機和矢量推進等技術,使飛艇的操縱特性和穩定特性得到了一定的提升。

  而且,寬艇體上表面寬闊,可鋪設更多的太陽能電池,有效接收太陽能輻射,轉化更多電能。其有效面積和時間都大于常規形式和英國Airlander10的飛艇。這一設計外形是早在2003年我們與英國飛艇專家達成的共識。同時,該飛艇的外形及氣動設計完全是中國“智造”,多項創新和專利得到驗證,是完全屬于中國人的自主知識產權。

  除了外形的變化,面對平流層飛艇的瓶頸問題,達天飛艇公司也同樣提出相應解決方法,并在此次試飛過程中得到驗證。

  首先,他們最大限度地考慮因平流層氦溫差引起體積膨脹時飛艇所能提供的最大冗余空間,并保證在平流層時壓差在容許范圍之內;而且,在駕駛過程中,工作人員通過改變飛艇的俯仰姿態來達到保持高度的目的,晝間操縱飛艇保持一定俯角飛行,夜間則操縱飛艇保持一定仰角飛行,寬體平流層飛艇和載重艇通過移動式配重、尾翼、全動式前翼(鴨翼)等創新性的設計,有效保持正常飛行以克服由于氦溫差產生的高度變化和壓力變化,達到浮重平衡。

  此外,自主研發的電動機讓飛艇在不同時段和不同高度面臨不同風速時保持推阻平衡。而面對能源問題,分析表示,隨著科技的進步和儲能電池的發展,飛艇所需電能能夠得到滿足。

  目前,試飛成果對結構設計及制造工藝等方面存在的問題進行了很好的驗證,取得了豐富的重要數據和寶貴的經驗,對后期該公司改進和提高其他飛艇的性能奠定了良好的基礎。

  達天飛艇公司將在樣艇的基礎上繼續修訂設計方案,制造CA-T320S型驗證艇,從整體結構上進行驗證飛艇的平穩性和升力,并驗證創新點移動式配重、全動式前翼、尾翼、發動機等的安裝方式和安裝位置是否合理。然后,對于能源平衡的驗證和對飛艇材料超熱超壓狀況時氦氣的浮力變化進行驗證。

  不僅民營企業正在勇攀平流層飛艇的“高峰”,中科院光電研究院對于平流層飛艇的研究也正在如火如荼地進行。平流層飛艇也在2016年被中科院列入“十三五”60項有望實現跨越發展的重大突破。根據規劃,中科院將設計研制長航時、長駐空動力飛行平流層飛艇系統,突破系列核心關鍵技術,成功實施2萬米高度駐留試驗驗證,在國際上率先掌握在平流層高度具備一定載荷能力的可控飛艇作業平臺技術。

  二、仿“僧帽水母”平流層飛艇

  2019年8月,來自國防科技大學空天科學學院的創新團隊,在國際上首次提出了受僧帽水母生物啟發的“平流層飛艇仿生設計方法”。這一研究,有望打造能在臨近空間長期駐留、穩定運行的平流層飛艇。

  受僧帽水母依靠浮囊體、鰾和氣腺協調控制浮力與壓力這一現象的啟發,國防科技大學團隊成功解決了現有平流層飛艇“主副氣囊”和“單囊體”技術方案中,環境熱效應下浮力與壓力協調控制難題。

  團隊以僧帽水母為仿生對象,以形態仿生設計了囊體氣動外形。與常規氣動外形相比,典型工況下可提高升阻比70%以上,增加有效載荷300-800公斤。同時,通過功能仿生首次提出了多囊體和熱調節氣囊新概念方案,解決了平流層飛艇在臨近空間中“熱脹冷縮”可能帶來的蒙皮破裂和“超重”問題。飛行仿真試驗和技術驗證艇飛行試驗表明,熱調節氣囊體積比為10%時,環境熱效應下囊內最大壓強可降低9.6%,這為浮力與壓力協調控制難題提供了有效方案。目前,該創新成果已申請國際發明專利1項、國家發明專利3項。

  臨近飛行器細分領域發展展望

  隨著臨近空間浮空器相關技術的進步,以及飛艇和平流層衛星等平臺的試飛驗證,臨近空間飛艇將在未來數年內實現留空1個月直至1年的可控飛行,并將以其為平臺構建具有區域和廣域覆蓋能力的臨近空間信息系統,將與平流層衛星、太陽能無人機為平臺的任務系統形成相互協同,形成20-30km高度持久信息支援與服務能力,使得未來的信息傳輸和個人通信更加廉價和方便。

  臨近空間飛艇一方面作為一種重要的空中平臺,在國防、安全、通信以及“一帶一路”重大信息保障工程方面將發揮重要作用,另一方面其處于航空航天高端制造產業鏈頂端,具有很強的產業聚集作用,可帶動新材料、新裝備、能源、信息、電子等產業的發展,對于我國的產業升級具有重要的促進作用。目前,該類型飛行器國內外均在同步發展,國內技術成熟度與國外無明顯差距,部分核心技術具備自主開發能力,有利于形成自主知識產權,具有領先世界先進水平的基礎,對我國飛行器發展具有標志性意義。

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