現(xiàn)階段人類航空飛行器大致可以分為以固定翼飛機(jī)和直升機(jī)為代表的重于空氣的飛行器（Heavier-Than-Air，HTA）和以熱氣球和飛艇為代表的輕于空氣的飛行器（Lighter-Than-Air，LTA）。近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家軍事需求的增長(zhǎng)，以及航空航天、材料科學(xué)和新型能源技術(shù)的發(fā)展，飛行器逐漸向種類多樣化、空天一體化轉(zhuǎn)變。對(duì)于HTA飛行器，先后出現(xiàn)了固定翼和直升機(jī)混合的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)以及利用矢量推力完成垂直起降直接力控制的新型作戰(zhàn)飛機(jī)等；對(duì)于LTA飛行器，一方面利用新型能源實(shí)現(xiàn)臨近空間長(zhǎng)時(shí)間駐留的高空飛艇成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，另一方面通過(guò)將HTA飛行器與LTA飛行器混合，設(shè)計(jì)而成的浮升混合飛行器（Hybrid-AirVehicles，HAV）也成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，如圖1所示。

根據(jù)升力來(lái)源的不同可將浮升混合飛行器分為空氣動(dòng)力型和旋翼型兩種。前者包括艇翼式（如圖2（a）所示美國(guó)俄亥俄飛艇公司的Dynalifter）、升力體式（如圖2（b）所示美國(guó)洛馬公司的P-791）等，是由靜浮力和氣動(dòng)升力共同提供升力；后者包括多旋翼式（如圖2（c）所示美國(guó)天鉤國(guó)際公司提出，并由波音公司負(fù)責(zé)研發(fā)的JHL-40旋翼起重機(jī)）等，是由靜浮力和旋翼升力共同提供升力。

傳統(tǒng)靜浮力飛艇具有載重量大、運(yùn)營(yíng)成本低、滯空時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有飛行速度低、可控性差、保障系統(tǒng)復(fù)雜等先天不足。浮升混合飛行器在傳統(tǒng)靜浮力的基礎(chǔ)上增加了氣動(dòng)升力，有效地提高飛艇整體的可操縱性，克服了飛艇上述的缺點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮其留空時(shí)間長(zhǎng)而耗能少的優(yōu)點(diǎn)。因此，其主要的設(shè)計(jì)應(yīng)用方向包括高空偵察和載重運(yùn)輸兩個(gè)方面。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

概述

隨著航空技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展以及在20世紀(jì)60年代發(fā)生的世界性石油危機(jī)，人們又開(kāi)始轉(zhuǎn)向消耗能源較少的飛艇，并利用新科技研制新型飛艇，充分考慮飛艇滯空時(shí)間長(zhǎng)、耗油量較少等優(yōu)點(diǎn)，用于海上巡邏、信息搜集等軍事目的以及廣告、旅游觀光等商業(yè)目的。隨著研究的深入，研究者逐漸開(kāi)始深入研究飛艇的一些關(guān)鍵問(wèn)題：如何在卸載后使飛艇增重以保持平衡？如何保證艇身的強(qiáng)度和剛度以及懸停時(shí)的控制？如何保證在各種氣候條件下起飛降落的安全等。為了解決這些問(wèn)題，美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯和日本等國(guó)先后提出了吸取HTA飛行器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出HTA和LTA的混合式飛行器。浮升混合飛行器并不是傳統(tǒng)意義上的飛艇，它將傳統(tǒng)飛艇和固定翼飛機(jī)、直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)組合起來(lái)，即將動(dòng)力飛行器和靜力飛行器的優(yōu)點(diǎn)組合在一起，以求發(fā)揮長(zhǎng)時(shí)駐空、重型裝載以及有效可控等優(yōu)勢(shì)。

國(guó)外相關(guān)型號(hào)發(fā)展

雖然混合式飛艇是指既有空氣動(dòng)力又有靜浮力的復(fù)合升力的飛行器，但在某種程度上，混合式飛艇特指浮力率（即靜浮力與起飛總重之比）不大于0.8的飛艇。采用該種布局形式的飛艇可由升力氣體產(chǎn)生的凈浮力和由速度產(chǎn)生的動(dòng)升力來(lái)共同平衡自身重量進(jìn)行飛行，可以在較小體積的情況下增大裝載量。雖然美國(guó)軍方目前對(duì)混合飛行器的興趣主要集中在情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）平臺(tái)上，但是根據(jù)相關(guān)技術(shù)論證，浮升混合飛行器在軍事方面還可以開(kāi)發(fā)用于戰(zhàn)區(qū)內(nèi)或者戰(zhàn)區(qū)間運(yùn)輸裝備、補(bǔ)給或者人員。民用方面，浮升混合飛行器也將可能是大型貨物空運(yùn)的首選設(shè)計(jì)。

英國(guó)Boyd Robert R對(duì)混合式布局飛行器的性能進(jìn)行了研究，得出混合式飛艇每噸千米的運(yùn)輸成本比一般飛行器少60%，并且不需要空中加油就能續(xù)航數(shù)天。美國(guó)諾格公司開(kāi)展了LEMV計(jì)劃，在英國(guó)混合航空飛行器公司（Hybrid Air Vehicles，HAV）的HAV-3的基礎(chǔ)上對(duì)其概念進(jìn)行驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)持久的監(jiān)控、載重即裝即用的能力。由美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局（DARPA）資助的“海象”混合超大型飛行器（HULA）項(xiàng)目旨在研制一艘飛行范圍約22000km（即12000nm）的飛艇，同時(shí)承載500～1000t的空運(yùn)貨物，并且通過(guò)空氣動(dòng)力、矢量推力以及浮升氣體提供的靜浮力組合控制來(lái)產(chǎn)生升力以平衡總重。2010年時(shí)，“海象”飛艇計(jì)劃被暫時(shí)擱置，但承擔(dān)“海象”飛艇合同的洛馬公司的混合飛艇計(jì)劃并未停止，他們已研發(fā)了P-791驗(yàn)證飛艇，現(xiàn)已進(jìn)行了多次飛行試驗(yàn)。英國(guó)ATG公司提出了“天貓”（SkyCat）系列大載重飛艇計(jì)劃，但公司在2005年進(jìn)入破產(chǎn)管理程序，只生產(chǎn)了一艘“天貓”飛艇，SkyCat集團(tuán)成立并收購(gòu)了ATG的業(yè)務(wù)，之后英國(guó)HAV公司又收購(gòu)SkyCat集團(tuán)的資產(chǎn)，繼續(xù)發(fā)展這一概念驗(yàn)證機(jī)。

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

由于無(wú)論是高空偵察型還是載重運(yùn)輸型浮升混合飛行器都具有重要的戰(zhàn)略意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，我國(guó)也正在積極開(kāi)展這方面的研究工作。國(guó)內(nèi)關(guān)于浮升混合飛行器的研究尚處在初步階段，多個(gè)高校和研究所進(jìn)行了方案論證、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等基礎(chǔ)性研究。2015年7月2日，珠海企業(yè)中航通用飛機(jī)有限責(zé)任公司與法國(guó)飛鯨控股公司在法國(guó)圖盧茲簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，擬共同投資成立合資公司，開(kāi)展重載飛艇項(xiàng)目合作，計(jì)劃研制生產(chǎn)60噸級(jí)的重載飛艇；2015年9月21日，中國(guó)航天科工集團(tuán)公司068基地遠(yuǎn)望科技有限公司與中國(guó)科學(xué)院電子技術(shù)研究所合作，完成了首階段的航空物探飛行試驗(yàn)。另外，北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院浮空器系統(tǒng)研究發(fā)展中心等多個(gè)單位的研究者對(duì)浮升混合飛艇方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、氣動(dòng)性能等方面進(jìn)行了理論研究。

浮升混合飛行器特點(diǎn)

構(gòu)型特點(diǎn)

由于飛艇的主要受力為浮力和重力，且較低的飛行速度導(dǎo)致很小的氣動(dòng)力，因此，氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)以艇身和尾翼的減阻為主。浮升混合飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)開(kāi)始是以傳統(tǒng)飛艇作為基點(diǎn)，原因在于傳統(tǒng)飛艇外形的升力效率較低，且在低速巡航和駐留時(shí)對(duì)側(cè)向風(fēng)的敏感會(huì)造成其他潛在的危險(xiǎn)。因而，出于功能、成本及應(yīng)用領(lǐng)域的考慮，不少研究者不斷嘗試改進(jìn)氣囊外形，使其產(chǎn)生更大的氣動(dòng)升力，即出現(xiàn)了升力體式浮升混合飛行器。目前，還沒(méi)有相關(guān)規(guī)范來(lái)定義該類飛行器的氣動(dòng)布局和設(shè)計(jì)。

旋翼型浮升混合飛行器氣動(dòng)性能主要受到旋翼和艇體耦合作用的影響，而相比于空氣動(dòng)力型，其飛行性能更接近直升機(jī)，隨著飛行高度的升高，其旋翼氣動(dòng)效率下降很快，不適用于高空飛行，且載重能力取決于發(fā)動(dòng)機(jī)和多旋翼輸出功率，相比于空氣動(dòng)力型耗油率更高。

浮升氣體用于平衡靜載荷，而氣動(dòng)升力則用于運(yùn)載任意形式的載重，完全可以不用壓艙物。由于浮升混合飛行器速度可達(dá)200～300km/h，正好填補(bǔ)了傳統(tǒng)飛艇和亞聲速飛機(jī)之間的速度空白。速度相同情況下，浮升混合飛行器的燃油效率也明顯高于直升機(jī)。與傳統(tǒng)飛艇相比，浮升混合飛行器的優(yōu)勢(shì)在于它在著陸和裝載階段更易于操作，就如同一個(gè)短距離起降航空器完成了一次有效的低空飛行裝載。

氣動(dòng)性能特點(diǎn)

浮升混合飛行器氣動(dòng)性能主要受雷諾數(shù)、氣流紊流度以及飛行器表面的粗糙度的影響。將浮升混合飛行器與其他傳統(tǒng)航空器的雷諾數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。由圖可知，浮升混合飛行器為小速度大體積大雷諾數(shù)的飛行器，當(dāng)Re=106～107時(shí)，現(xiàn)有風(fēng)洞試驗(yàn)條件無(wú)法滿足精確測(cè)量分析的目的，通常采用分析計(jì)算法或CFD分析法進(jìn)行研究。

洛馬公司前期做了一系列關(guān)于浮升混合飛行器的研究，并開(kāi)展了一些風(fēng)洞和試飛驗(yàn)證。研究表明，對(duì)于浮升混合飛行器而言，可設(shè)計(jì)成常規(guī)飛艇外形通過(guò)幾個(gè)并排的子囊瓣組合而成，囊瓣是基于高升力系數(shù)的翼型外形設(shè)計(jì)的，這種多囊瓣布局具有更寬的橫截面，能夠產(chǎn)生的動(dòng)升力約為傳統(tǒng)飛艇動(dòng)升力的3倍。

通過(guò)CFD分析結(jié)果（如圖4所示）可得，相同的迎角情況下，浮升混合飛行器升力系數(shù)約為常規(guī)飛艇的3倍。但由于更小的長(zhǎng)細(xì)比，即更寬的艇體導(dǎo)致阻力系數(shù)更大。此外，相同設(shè)計(jì)載荷下這類浮升混合行器相對(duì)于傳統(tǒng)構(gòu)型飛艇能提供更大的氣動(dòng)升力，并顯著減小飛行器表面積，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高有效載荷及運(yùn)載能力。

附加質(zhì)量效應(yīng)

對(duì)于在流體介質(zhì)中做加速或減速運(yùn)動(dòng)的物體需要克服周?chē)黧w慣性的影響，即物體帶動(dòng)周?chē)橘|(zhì)一起加速或減速運(yùn)動(dòng)，從而使流體介質(zhì)受到一定的作用力，此力的作用效果像是將介質(zhì)質(zhì)量添加至運(yùn)動(dòng)物體表面，即附加質(zhì)量，又稱表面質(zhì)量或者虛擬質(zhì)量。根據(jù)牛頓第三定律，流體介質(zhì)也將對(duì)物體存在大小相等方向相反的反作用力，有對(duì)于附加慣性力的影響是否應(yīng)該看做飛行器氣動(dòng)力的一部分，或者等價(jià)于對(duì)物體質(zhì)量和慣性的補(bǔ)充還有爭(zhēng)論。

隨著物體的密度增加，其慣性超過(guò)流體的密度，附加質(zhì)量效應(yīng)會(huì)變得不明顯。定義比重ε為運(yùn)動(dòng)物體排開(kāi)介質(zhì)的質(zhì)量與物體質(zhì)量之比，來(lái)描述這類物體運(yùn)動(dòng)時(shí)受到周?chē)黧w介質(zhì)慣性的影響程度。對(duì)于現(xiàn)代重型飛行器如商業(yè)飛機(jī)和軍用戰(zhàn)斗機(jī)而言，由于比重很小，附加質(zhì)量效應(yīng)對(duì)于飛行器運(yùn)動(dòng)影響很小。然而，對(duì)于諸如飛艇、熱氣球、浮升混合飛行器或者潛艇而言，這些效應(yīng)的影響不能忽略。表1總結(jié)了幾種常見(jiàn)物體的比重，波音747比重約為0.01，遠(yuǎn)小于浮空器的0.97，而在水中運(yùn)動(dòng)的氣泡約為800，受到附加質(zhì)量影響極為明顯。

隨著20世紀(jì)飛艇技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用流體力學(xué)理論，將飛艇周?chē)諝鈶T性的影響解釋為等效空氣質(zhì)量阻力，以妨礙飛艇加減速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，Lamb創(chuàng)造性地提出了球狀體形狀的質(zhì)量系數(shù)。1924年，Munk提出了一個(gè)類似的研究來(lái)計(jì)算增加的質(zhì)量，后來(lái)被飛艇設(shè)計(jì)者用于考慮這個(gè)效應(yīng)。因?yàn)樵缙陲w艇多為橢球形狀，所以用于計(jì)算附加質(zhì)量的經(jīng)典公式在通常具有非常規(guī)外形的混合飛行器中具有關(guān)鍵的限制。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，面元法被應(yīng)用于通過(guò)在這些復(fù)雜幾何形狀上的勢(shì)方程的解來(lái)計(jì)算任意形狀的附加質(zhì)量系數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)和CFD計(jì)算速度的大幅提高，獲得復(fù)雜形狀的附加質(zhì)量的數(shù)值方法變得可行。

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了浮升混合飛行器相關(guān)構(gòu)型分類及特點(diǎn)，由于浮升混合飛行器外形大都基于常規(guī)飛艇外形演變而來(lái)，其尺寸和應(yīng)用領(lǐng)域類似，因此，基于對(duì)常規(guī)飛艇艇體氣動(dòng)特點(diǎn)的分析，初步對(duì)浮升混合飛行器升阻特性進(jìn)行了研究。由于浮升混合飛行器比重較大，附加質(zhì)量效應(yīng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)有一定影響，需要進(jìn)一步對(duì)非規(guī)則外形的浮升混合飛行器附加質(zhì)量效應(yīng)進(jìn)行深入研究。

（孟軍輝 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，張瀾川 呂明云 北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院）