原创 平流层飞艇,美国和日本真的能够制造吗？.doc

[原创]平流层飞艇，美国和日本真的能够制造吗？

近期网上热传，五角大楼官员披露将出资４亿美元（约28亿人民币），研制“能在近20000米平流层中部运行10年的巨 型飞艇，该艇能在15天内到达世界任一地点”。据称有关机构已签署先期研制工作协议，将在2014年前完成1:3的样艇。与此相呼应的，是某些获得“预研 任务”的企业，急急忙忙展开的项目宣传。笔者认为，尽管美国在航空航天领域处于领先地位，而且当今许多航空航天运载工具的确也都是美国最先研发出来的，但 这并不代表美国已经掌握平流层飞艇的技术，因为平流层飞艇作为人们设想中的特殊空间运载工具，与人类当今已经掌握到一定程度的航空航天和深空探测技术完全 不可同日而语。简而言之，以美国的现有技术，上述“平流层飞艇”充其量也只能是一个巨大的、构造像传统飞艇的氦气球而已，其应用的可行性、经济效益存疑。 在目前技术条件和经济环境下展开这类宣传，可能只是相关企业基于其在资本市场的经济目的需求而已。

平流层飞艇的误区

从20世纪70年代初期起，人们开始重启飞艇研制，并把新一代飞艇的工作环境指向平流层以上的对地高 度。近10余年来，基于平流层飞艇的先进高分辨率对地观测系统以及与之配套的任务设备和地面设备，成为世界各国尤其是经济发达国家竞相研制的热门目标。这 是因为：谁率先拥有平流层战略平台，谁就开创了人类在近地空间区域活动的新纪元。平流层飞艇战略平台无疑具有极其重大的政治和军事意义，以及巨大的潜在商业利益。
然而时至今日，尽管各国纷纷投入重资、倾尽技术能力，平流层飞艇仍然还只是一个很难实现的概念，一个难圆的世纪 之梦。涉足平流层飞艇研制的国家，全都还处在研发初级阶段，而且显然前路渺茫。例如美、日等国，多年来也仅仅是展开类似飞艇的浮空器验证艇进入平流层高度 的尝试而已，其验证艇都是没有动力、不能操纵和没有任务能力的。特别要指出的是：这些飞艇都不能正常返回地面，必须破坏囊体排空昂贵的氦气才能“安全”伞 降回收剩下的组件。
近年来，各种报刊杂志、互联网对国外平流层飞艇项目有诸多宣传，琳琅满目的平流层飞艇图片以及对这些“平流层 飞艇”性能的种种描述，其实都只是这些所谓“平流层飞艇”的愿景而远非现实，对此人们不必太较真。作为街巷谈资无伤大雅，但若引用为平流层飞艇技术已经可 行的证据，则又当别论了。
真实的情况是：目前人类还没有一艘真正意义上的平流层飞艇！而能够正常往返地面—平流层，并能在平流层高度长 时间滞留和定位作业（例如三维±400米定位，这是平流层飞艇应用于通信中继的基本条件之一）的平流层飞艇，更是遥不可及！这种现况，与世界各国为研制平 流层飞艇所付出的时间与巨额金钱代价，完全不成正比！其根本原因在于：世界各国根据历史上传统飞艇基本构造原理所提出的、所有已知的“平流层飞艇”方案，无异于是在缘木求鱼，是在用造牛车的古老方法来造火车，不会达到预期目的。能否造出真正的平流层飞艇，与投入多少钱来研制没有正比关系。
无论传统飞艇的历史如何辉煌，其产生的时代背景与应用目的，与平流层飞艇都不能比拟。历史上 飞艇的运动空间，与平流层飞艇的运动空间是两个概念。其余的诸多相关问题本文不讨论了，仅两者所面对的空气密度、大气压力变化规律就有本质上的不同。历史 上传统飞艇的基本构造方案已经沿用了140年，要造出真正意义上的平流层飞艇，那么传统飞艇所能借鉴的除了“阿基米德浮力定律”、舵面操纵方法以及“飞 艇”这一名称外，可能一切都要重头再来！
上互联网搜索一下，会发现近年来关于平流层飞艇的文章比比皆是，而标称为“平流层飞艇研究”的各种“学术论文”更是多不胜数。这里，无需质疑那些对平流层飞 艇充满激情、旁引博证的“专家”们是否见过飞艇，他们文中那些深奥的飞艇数据如果不是自己实验得出那又是从何而来？毕竟历史飞艇淡出人们视线的年代已过于 久远了，而现代飞艇出现在人们视线中的概率显然还太小，多数人因此不太有机会接触到飞艇，何论根本就还不存在的所谓“平流层飞艇”。不过，纸上谈兵总比不 谈好，至少还能引起人们对平流层和近地空间领域竞争已日趋激烈的关注。
人们显然低估了平流层飞艇的难度！平流层飞艇的关键难度，其实并不在于囊体材料、气动规律、控制方法、电子技 术、导航技术、能量平衡以及制造工艺等常规技术与工程方法这些方面人类都已经有了长足的进步，即使尚有不足也肯定可以很快改进。但若基本方法错了，那就 连平流层也上不去。勉强上平流层别说作业，连残骸回来都只能伞降。
平流层飞艇的核心难度在于：必须有根本意义上的创新思想和现阶段技术条件下切实可行的技术路径。如果继续以历 史上的常规飞艇基本构造方案（例如常规硬式、软式飞艇之类，以及千篇一律的主囊+副囊的老式飞艇基本构造等）来研制平流层飞艇，无疑是南辕北辙。人们面临 的技术困难，将会远远高于目前人类已经掌握到一定程度的航空航天技术、登月登火星或者其它深空探测技术。
按照目前包括美国在内的世界各国平流层飞艇方案，人们不太可能造出希望中的平流层飞艇。否则如何解释就连在 半个世纪前宇航员已经上了月球，近年又陆续几次让登陆器上了火星的“航空航天霸主”美国，对平流层飞艇技术难题也是失误连连、举步维艰，看不到明确的可行 路径。以美国一贯在航空航天领域争霸的心态，面对效益如此巨大的国际竞争空白区，假如已经有能力率先造出实用的平流层飞艇，岂会轻易松懈？

美、日平流层实验艇为什么总是坠落回收？

美国耗资庞大研制多年、曾经进入平流层的无动力V字型“攀登者”实验艇，至今也还只是无载荷和不能操纵 的类漂浮气球而已，不能在平流层滞留作业，也不能正常返航回收，只能人为破坏囊体以求迅速排放氦气使其坠落，在近地面高度伞降回收残骸。事实上，美国“攀 登者实验艇近几年的数次释放式飘浮升空实验，也都是因无法控制囊体承压极限，囊体被动胀破而坠落、伞降回收残骸的。

美国“攀登者”V型实验平流层飞艇效果图

近年频频见报的、日本已研制了多年的“平流层飞艇”，情况也与美国相似。日本无动力、无任务能力的平流 层实验艇，据报也曾飘升到16400米的高度，然后因囊体炸裂泄出氦气而坠落，在日立附近海面伞降回收残骸。据报日本艇仅单艇的直接造价，就用了6亿日元 （约4200万人民币），其它开支就很难估算了。
无动力就意谓着不可操纵，不管它的名称是否叫作“飞艇”，美、日平流层实验艇的技术方案和实验表现，与普通漂浮气球在原理和方法上都大同小异。

美、日平流层实验艇频频炸裂的原因其实非常简单（以日本艇报称到达的16400米高度为例）：从一般中学常识的 辅助资料就可以查知：16400米的高度大气平均压强约为9600.85Pa，仅为飞艇起飞时海平面附近大气压强的9.5%。也就是说，对于艇囊有一定正 压的常规软式飞艇来说，在16400米的高度应当给其囊内氦气有10.6倍的膨胀空间，才不至于胀破囊体。但现有技术下艇囊材料的抗撕裂能力再强，也都不 可能约束如此强大的囊内正压力。而且在12000米以上的高度，大气压强急剧下降，飞艇内囊的正压扩张相对于飞艇的持续升高来说，增大趋势十分明显，而世 界上任何现有的先进囊体材料，都不可能对付这种急剧增大的内部膨胀压力。因此，采用艇囊定容积和主囊配副囊软式飞艇方案的美、日平流层实验艇，当它们排空 其副囊的空气进入理论压力高度后，要么人为破坏囊体以加速排放氦气，要么任其自由继续上升直到囊体炸裂。因此，美、日平流层实验艇都只能用伞降回收残骸， 是完全可以预期的唯一结果。
导致美、日平流层实验艇频频炸裂的另一个重要原因在于（仍以16400米高度为例）：16400米的高度的大 气密度约为0.1544kg/m3，是飞艇起飞时海平面大气密度的12.6%。比较16400米高度的大气压强下降率与大气密度下降率，可以发现两者是不 成比例的，大气压强下降率比空气密度的下降率要大3.1%。正是这个很不起眼的3.1的差别，使得体积庞大的常规飞艇产生了很大的上升力，笔者称之为非 受控“次生净静升力”。高度越大，这种“次生净静升力”则越大。包括美、日平流层实验艇在内的所有常规飞艇方案，都无法控制这个上升力。囊内空气已排尽的 飞艇，在16400米高度以上的低密度空气环境，和飞艇囊内正压已到囊体承压极限的情况下，完全不可能用重新给副囊填入空气的方法，来使飞艇“增重止 升”。受现有技术条件限制，在平流层高度的艇上压缩氦气得不偿失、是不可行的。于是，常规软式飞艇方案的“平流层飞艇”都会不受控地持续上升，直到因囊体 胀裂而坠落为止。
用 上述美、日方法释放升空的“平流层飞艇”，能进入到16400米高度或者更大高度都不足为奇，只要将它们的体积做得足够大，并且将其主囊、副囊中氦气与空 气的初始比例设定到接近极限（例如15%：85%）就行了。但，这种方法的“平流层飞艇”前景何在？有实用意义和经济价值吗？美、日平流层实验艇外观像飞 艇，但显然不是飞艇，更非设想中的平流层飞艇。思路不对，再研究下去也达不到目的。 ？？？？？

日本实验平流层飞艇

上述这些美、日平流层实验艇，已经算是目前世界上处于领先水平的“平流层飞艇”了。当然，总算是让被冠 以“平流层飞艇”名称的浮空器进入过平流层了。不过，假如还是坚持以这样的常规飞艇方式来进入平流层，然后收回残骸，那还不如改为研究不可操纵的热气球或 氦气球，至少人类目前已经可以到达2.1万米的热气球高度（2005年11月，印度），或者4.9万米的氦气球高度（2002年8月，美国NASA）。人 类非太空飞行器进入到平流层上部，也是很久以前的事了。
在网上输入“英国玩具熊乘氦气球上太空漫步”可以发现，浮空器进入平流层几十公里以上的高度其实并不困难，如 今已经是连中学生都可以操作的普通实验了。难就难在如何滞留平流层长时间定点作业，并且能够带着包括昂贵氦气在内的“全副身家”正常返回地面。这一点，任 何国家目前都没能做到！而做不到这一点，就不能算是真正意义上的平流层飞艇。
仅能到达平流层并非平流层飞艇的目的，使飞艇能长期滞留平流层精确定位联网作业，才是人们希望达到的中远期目 标。此外，通过研制平流层飞艇来带动相关产业发展，也是人们的主要目的之一。从这个意义上来看，平流层飞艇的关键技术远远还没有突破，平流层飞艇的实现还 没有日程表。

日本实验平流层飞艇的释放升空与伞降返回

必须重视的是：我国常规飞艇技术长期落后于该领域的发达国家！据报国内目前飞得最高的、要“抢占平流 层”的飞艇，浮空高度仅为3000米（平流层理论平均高度在距离地面12公里以上）。这样的飞艇，用于对流层低空作业，对于中国来说或许是一种进步，值得 赞扬和鼓励。但若将之作为平流层飞艇来讨论就显得离题太远，这种方案的飞艇只会是步上述美、日飞艇的后尘而已，没有继续研究的价值，不知为何硬要将它与 “平流层飞艇”扯在一起？
众所周知，第一次世界大战时的实用飞艇，已经能升到近5000米高度，还能作战！而且，像美、日这样研制和实 验平流层飞艇的昂贵“玩”法，实在令人不敢恭维，更不必效仿。平流层飞艇与常规飞艇完全不同，上文已经讨论了，平流层飞艇实质上是一种全新的空间运载器， 各研制国之间的距离并不太大，大家都处在很接近的起跑线上展开较量。因此，中国人应当充分发挥自己的聪明才智，自主创新开辟出一条平流层飞艇的可行之路 来！

平流层飞艇的基本要求

符合如下最低要求的飞艇，才算是与平流层飞艇沾上了边：
1、可操纵往返地面—18公里以上的高度；

2、全艇飞（或降）回地面（包括起飞时所带的氦气），无需排氦气伞降回收；
3、能够在18公里以上高度滞留3天或更长的时间；
4、能够在平流层指定位置相对准确定位悬浮（三维±1000米以内）；
5、能够携带一定重量的任务设备并实施作业。
上述看似要求不高的基本条件，世界上现有能查阅到的“平流层飞艇”方案都不可能达到。仅其中第2点，就足以让现有各类“平流层飞艇”方案望而却步。但如果不能满足这些最基本的要求，连回都回不来，能称为平流层飞艇吗？
题述美国目标运动高度为20000米的“平流层飞艇”，为什么要一次性使用10年？是否也因无法正常返回，需要放掉大量昂贵氦气才能伞降残骸回收？是否留空10年才能够摊销其成本、相对降低使用费？
一般飞艇在对流层飞行的需用功率，大致上与其对气速度的3次方成正比，低速运动以降低能耗正是飞艇的主要强项。 在平流层20000米高度以上，理论上其垂直方向运动的气流不明显，但水平方向不时出现的强风，就不是一般飞艇能够轻易对付的。题述美国如此庞大的飞 艇，15天就能到达世界任一地方，是每一次都那么快还是只能跑一次？如果每次都能那么快，那么能量从何而来？空气环境下的离子推进器技术研究才刚刚开始， 在室内静风条件下用于飞艇模型推进实验的速度据报仅有1.2公里/小时，在平流层以上高度应用的可能性几乎为零。高能重比的燃料电池也必需有源源不断的化 学能供给才行，运行10年的飞艇，要带多少烷烃化合物或者金属氢之类的上去才会够用，化学燃料消耗后的“失重”问题如何解决？利用太阳能来电解水也不可 行，因为目前合成树脂基材的柔性非晶硅太阳能电池的寿命，不可能胜任在平流层如此长时间的能量收集任务。玻璃封装的单晶硅太阳能电池寿命还差不多，但飞艇 能扛着这么多的大块玻璃上20000米吗？别误以为飞艇的特点是有巨大的承载能力，飞艇的承载能力的大小与其体积大小密切相关，在飞艇设计上是一对很难取 舍的矛盾，平流层飞艇的这种矛盾则更为显著。
其余诸多悬而未决的问题暂不讨论，题述美国飞艇巨大艇囊时刻都在泄漏的昂贵氦气如何补充？10年当中如何维护 保养飞艇以及艇上的航电和任务设备？维修人员如何上到20000米高度以及是否都要跳伞回来？仅诸如此类的简单问题，就已经令此项“平流层飞艇”工程的可 行性疑点重重。

结束语：

从事科学研究,要有科学的思路与方法。某些国家明显不能达到目的的做法，我们不能重复,这方面我们已经有了太多的教训。加强我们的判断能力，有所为而有所不为，改变一再被别人牵着鼻子走的状况，正是我们的当务之急。

要以清晰明确的目的和严谨的科学态度，来参与平流层与近地空间战略平台的竞争，不能人云亦云。吸取别人 的经验教训固然重要，但更重要的是必须以正确的方法来掌握和实施相关的工作。简单和重复性的无效实践，已经不适合当今社会的科技竞争。要知道，“方法”本 身就是一门科学。“实践”本身并非真理，也不一定能够发现真理，尤其是在方法不正确的情况下。

科学发展到今天，人类大多数新创造都是在现有科学技术基础上的综合重组创新，而不是只根据某个研究领域 在历史上的传统观念与方法来一意孤行。我们还有太多急需改善的民生问题，国家也不是钱多得没处放。用于科学技术研究的钱，首先就要用得科学，不能再任由某 些“专家”仅凭“国外已经如何如何”之类的描述，然后抄袭一些别人的东西就来圈钱圈地“搞科研”，这种所谓的“科研”于国于民有害而无益。

（本帖为原创，转载请注明出处 铁血网 空军论坛）