摘 要：平流層浮空器是一種位于平流層中的飛行器，通常是指20公里以上的無人駕駛飛艇或氣球，用于組成電信網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)行遙感測(cè)控。2014年，兩家主要互聯(lián)網(wǎng)公司（谷歌和Facebook）宣布投資新的平流層浮空器項(xiàng)目，在沒有通信基礎(chǔ)設(shè)施（地面基站或衛(wèi)星）的地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入，使人們重新關(guān)注平流層浮空器的發(fā)展。文章旨在調(diào)查平流層浮空器的歷史、現(xiàn)狀、技術(shù)趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：平流層浮空器;技術(shù)挑戰(zhàn);技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1 介紹

平流層浮空器是高度20公里以上，位于平流層的飛行器，用于民用或軍用通信網(wǎng)絡(luò)或遙感。這些飛行器可以是有人駕駛或無人駕駛的飛艇或氣球。平流層是大氣層中的一層，平流層開始于對(duì)流層頂部--兩極7公里和赤道18公里的高度，延伸至約50公里。溫度從對(duì)流層頂?shù)暮愣囟燃s-60°C開始，隨著海拔升高而升高。平流層浮空器飛行的高度范圍約為20公里，其原因是在這個(gè)高度上風(fēng)速較小，因此，平流層浮空器維持位置所需的功率較小。

2 應(yīng)用

平流層浮空器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是民用和軍用的電信及遙感。在電信領(lǐng)域，平流層浮空器相對(duì)于地面中繼塔的一些優(yōu)點(diǎn)是覆蓋面積更大，障礙物（建筑物、地面高程）造成的干擾更少，部署時(shí)間更短。與衛(wèi)星相比，平流層浮空器具有較低的傳輸延遲、便于返回維修，同時(shí)可進(jìn)行有效載荷的重新配置。在遙感方面，與衛(wèi)星（主要是低軌道衛(wèi)星）相比，平流層浮空器具有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，即能夠在一個(gè)區(qū)域內(nèi)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以得到分辨率更高的圖像，因?yàn)樗鼈兏咏采w區(qū)域。

3 文獻(xiàn)計(jì)量分析

科學(xué)出版物的文獻(xiàn)計(jì)量分析是支持新技術(shù)預(yù)測(cè)的重要工具。分析了以下文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫： Web of Science和Google Scholar。搜索內(nèi)容包括：題目、關(guān)鍵詞和摘要，采用了以下搜索條件：“平流層浮空器”、“高空飛艇”、 “平流層飛艇”、“平流層氣球”、“高空平臺(tái)”、“平流層平臺(tái)”。為了消除重復(fù)結(jié)果以及與本研究主題無關(guān)的結(jié)果，對(duì)每一篇文章摘要進(jìn)行了分析。當(dāng)文獻(xiàn)與平流層浮空器主題直接相關(guān)時(shí)，它們才被認(rèn)為是有效的。在這一過程中，約有30%在搜索中獲得的文獻(xiàn)被刪除。

經(jīng)過篩選，在1990年1月至2015年12月，共發(fā)現(xiàn)與平流層浮空器直接相關(guān)的科研論文969篇，1968年至1989年平均每年發(fā)表1篇左右，共發(fā)表22篇，未納入調(diào)查范圍。論文數(shù)量最多的5個(gè)國家的出版總數(shù)分別為：中國（237份）、美國（202份）、意大利（87份）、英國（69份）和日本（60份）。從2009年起，中國成為在平流層浮空器上發(fā)表科學(xué)文章最多的國家，而在其他國家，發(fā)表的文章則有所減少。由此可見，我國雖然在平流層浮空器領(lǐng)域起步較晚，但是平流層浮空器所產(chǎn)生的民用和軍用價(jià)值在我國也受到了高度重視。

4 挑戰(zhàn)

平流層浮空器在平流層中運(yùn)行，需要解決的重大的技術(shù)挑戰(zhàn)主要是：輕量化結(jié)構(gòu)、能量產(chǎn)生和儲(chǔ)存、熱管理、低空運(yùn)行和可靠性。下面將對(duì)這些挑戰(zhàn)逐一論述。

4.1 輕量化

平流層浮空器的通常運(yùn)行高度約20公里，在這里空氣稀薄，大氣密度約為海平面大氣密度的7%。因?yàn)榭諝飧×εc空氣密度、飛艇和氣球的體積成正比，因此在平流層平臺(tái)設(shè)計(jì)中，如果考慮相同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)--總重量、氣動(dòng)外形、運(yùn)行速度等，那么平流層飛艇的尺寸必須比根據(jù)海平面條件確定的飛機(jī)尺寸大14倍左右。這些大尺寸導(dǎo)致了對(duì)平流層浮空器的重量需要進(jìn)行嚴(yán)格的優(yōu)化。

平流層飛艇和氣球的包覆材料必須具有低重量特性、高強(qiáng)度、高承受損傷（撕裂、針孔）的能力，以及氣體的低滲透性、低溫下的柔韌性、抗紫外線輻射和臭氧環(huán)境下低降解等性能。它的外層通常為薄膜材料，用于分隔內(nèi)外氣體;內(nèi)部纖維主要用于提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和粘合層連接。

4.2 能量的產(chǎn)生和存儲(chǔ)

與任何飛行器一樣，平流層浮空器需要一個(gè)能源為其系統(tǒng)和有效載荷供電。平流層浮空器項(xiàng)目的目標(biāo)航行時(shí)間很長(zhǎng)，大約為數(shù)月甚至數(shù)年。目前，平流層浮空器的主要能源供應(yīng)方式是太陽能電池發(fā)電。對(duì)于超長(zhǎng)續(xù)航的平流層浮空器，最常用的解決方案是白天通過光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，部分電能用于平臺(tái)的正常運(yùn)行，部分電能用于為存儲(chǔ)系統(tǒng)充電，通常是充電電池或RFC，以便在晚上使用。

4.3 熱特性

升力氣體與外部大氣的溫差直接影響著平流層飛艇和氣球的性能。當(dāng)內(nèi)部氣體的溫度高于外部空氣的溫度時(shí)，這種效應(yīng)稱為過熱;反之為過冷。這種溫差可能是由以下幾個(gè)因素引起的，如太陽直接輻射、太陽輻射在地球表面或云層上的反射、上升或下降過程中上升氣體的膨脹、大氣溫度的變化（白天/夜晚）以及光伏電池的運(yùn)行引起的發(fā)熱等。平流層浮空器的熱特性研究，包括熱平衡的數(shù)學(xué)建模和絕緣材料的使用，是一項(xiàng)需要加強(qiáng)的研究?jī)?nèi)容。

4.4 低空作業(yè)

平流層浮空器的運(yùn)行高度約為20公里，那里稀薄的空氣相對(duì)平靜，風(fēng)速較低。因此，與設(shè)計(jì)用于低海拔運(yùn)行的飛行器相比，平流層浮空器具有低功率推進(jìn)系統(tǒng)和輕且脆弱的結(jié)構(gòu)。對(duì)流層中的強(qiáng)風(fēng)和湍流可能導(dǎo)致平流層浮空器的墜毀。因此，在低空飛行，特別是在發(fā)射和回收階段，選擇合適的天氣窗口是非常重要的。

4.5 可靠性

數(shù)月甚至數(shù)年的長(zhǎng)時(shí)間飛行意味著平流層浮空器需要有高可靠性的設(shè)備。平流層的環(huán)境在某些方面與太空很相似，例如非常低的溫度、顯著的溫度周期（白天/晚上）以及強(qiáng)烈的太陽輻射和紫外線。因此，一個(gè)可靠的平流層浮空器需要采用高成本的太空設(shè)備和組件。這些太空設(shè)備和組件甚至必須應(yīng)用于整個(gè)平流層浮空器系統(tǒng)，包括地面基站和數(shù)據(jù)連接。

5 結(jié)論

平流層浮空器具有的超長(zhǎng)續(xù)航、部署周期短、成本低（與衛(wèi)星相比）、覆蓋面積大（與地面發(fā)射站相比）等優(yōu)點(diǎn)，因此具有不可替代的地位。但是，其發(fā)展仍然不是一帆風(fēng)順，面臨諸多挑戰(zhàn)。與平流層浮空器相關(guān)的技術(shù)仍處于較低的成熟度。一些技術(shù)難題仍然需要克服，例如：輕量級(jí)結(jié)構(gòu)、RFC儲(chǔ)能、飛艇熱管理、低空作業(yè)和系統(tǒng)可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

潘東華（1976.12—）高級(jí)工，江蘇灌云人，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究