平流层浮空器的现状和技术趋势

秦利宇 戴秋敏

摘  要：平流层浮空器是一种位于平流层中的飞行器，通常是指20公里以上的无人驾驶飞艇或气球，用于组成电信网络或进行遥感测控。在20世纪最后十年和21世纪最初十年，曾启动了几个项目，但很少有项目继续下去。2014年，两家主要互联网公司（谷歌和Facebook）宣布投资新的平流层浮空器项目，在没有通信基础设施（地面基站或卫星）的地区提供互联网接入，使人们重新关注平流层浮空器的发展。文章旨在调查平流层浮空器的历史、现状、技术趋势和挑战。

关键词：平流层浮空器;技术挑战;技术发展趋势

中图分类号：V27       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）01-0156-02

Abstract： Stratospheric aerostats （HAPs） are， usually unmanned airships or airplanes positioned above 20 km， in the stratosphere， which are used to compose a telecommunications network or perform remote sensing. In the 1990 and 2000 decades， several projects were launched， but very few had continued. In 2014， two major Internet companies （Google and Facebook） announced investments in new Stratospheric aerostats projects to provide Internet access in regions without communication infrastructure （terrestrial or satellite）， bringing back attention to the development of Stratospheric aerostats. This paper aims to survey the history of Stratospheric aerostats， the current state-of-the-art， technology trends and challenges.

Keywords： stratospheric aerostats; technological challenges; technology trends

1 介绍

在上世纪90年代和本世纪初，在美国、日本和韩国启动了大型项目[1]、[3]，以探索平流层浮空器在电信和遥感方面的潜在应用。

平流层浮空器是高度20公里以上，位于平流层的飞行器，用于民用或军用通信网络或遥感。这些飞行器可以是有人驾驶或无人驾驶的飞艇或气球。平流层是大气层中的一层，平流层开始于对流层顶部--两极7公里和赤道18公里的高度，延伸至约50公里。温度从对流层顶的恒定温度约-60°C开始，随着海拔升高而升高。平流层浮空器飞行的高度范围约为20公里，其原因是在這个高度上风速较小，因此，平流层浮空器维持位置所需的功率较小。

2 应用

平流层浮空器的主要应用领域是民用和军用的电信及遥感。在电信领域，平流层浮空器相对于地面中继塔的一些优点是覆盖面积更大，障碍物（建筑物、地面高程）造成的干扰更少，部署时间更短。与卫星相比，平流层浮空器具有较低的传输延迟、便于返回维修，同时可进行有效载荷的重新配置[1]。

在遥感方面，与卫星（主要是低轨道卫星）相比，平流层浮空器具有一个重要的优势，即能够在一个区域内持续很长时间。另一个优势是可以得到分辨率更高的图像，因为它们更接近覆盖区域。

3 文献计量分析

科学出版物的文献计量分析是支持新技术预测的重要工具[4]。在本文中，利用文献计量来分析在平流层浮空器领域发表较多论文和取得较多科学进展的国家，并构建了分析曲线。本文分析了以下文献数据库： Web of Science和Google Scholar。搜索内容包括：题目、关键词和摘要，采用了以下搜索条件：“平流层浮空器”、“高空飞艇”、 “平流层飞艇”、“平流层气球”、“高空平台”、“平流层平台”。为了消除重复结果以及与本研究主题无关的结果，我们对每一篇文章摘要进行了分析。当文献与平流层浮空器主题直接相关时，它们才被认为是有效的。在这一过程中，约有30%在搜索中获得的文献被删除。

经过筛选，在1990年1月至2015年12月，共发现与平流层浮空器直接相关的科研论文969篇，1968年至1989年平均每年发表1篇左右，共发表22篇，未纳入调查范围。论文数量最多的5个国家的出版总数分别为：中国（237份）、美国（202份）、意大利（87份）、英国（69份）和日本（60份）。图1显示了这5个国家每年科学出版物的分布情况。从2009年起，中国成为在平流层浮空器上发表科学文章最多的国家，而在其他国家，发表的文章则有所减少。由此可见，我国虽然在平流层浮空器领域起步较晚，但是平流层浮空器所产生的民用和军用价值在我国也受到了高度重视。

4 挑战

平流层浮空器在平流层中运行，需要解决的重大的技术挑战主要是：轻量化结构、能量产生和储存、热管理、低空运行和可靠性。下面将对这些挑战逐一论述。

4.1 轻量化

平流层浮空器的通常运行高度约20公里，在这里空气稀薄，大气密度约为海平面大气密度的7%。因为空气浮力与空气密度、飞艇和气球的体积成正比，因此在平流层平台设计中，如果考虑相同的设计特点--总重量、气动外形、运行速度等，那么平流层飞艇的尺寸必须比根据海平面条件确定的飞机尺寸大14倍左右。这些大尺寸导致了对平流层浮空器的重量需要进行严格的优化。

平流层飞艇和气球的包覆材料必须具有低重量特性、高强度、高承受损伤（撕裂、针孔）的能力，以及气体的低渗透性、低温下的柔韧性、抗紫外线辐射和臭氧环境下低降解等性能。它的外层通常为薄膜材料，用于分隔内外气体;内部纤维主要用于提供结构强度和粘合层连接。

4.2 能量的产生和存储

与任何飞行器一样，平流层浮空器需要一个能源为其系统和有效载荷供电。平流层浮空器项目的目标航行时间很长，大约为数月甚至数年。目前，平流层浮空器的主要能源供应方式是太阳能电池发电[5]。对于超长续航的平流层浮空器，最常用的解决方案是白天通过光伏电池将太阳能转换成电能，部分电能用于平台的正常运行，部分电能用于为存储系统充电，通常是充电电池或RFC，以便在晚上使用。

4.3 热特性

升力气体与外部大气的温差直接影响着平流层飞艇和气球的性能。当内部气体的温度高于外部空气的温度时，这种效应称为过热;反之为过冷。这种温差可能是由以下几个因素引起的，如太阳直接辐射、太阳辐射在地球表面或云层上的反射、上升或下降过程中上升气体的膨胀、大气温度的变化（白天/夜晚）以及光伏电池的运行引起的發热等。平流层浮空器的热特性研究，包括热平衡的数学建模和绝缘材料的使用，是一项需要加强的研究内容。

4.4 低空作业

平流层浮空器的运行高度约为20公里，那里稀薄的空气相对平静，风速较低。因此，与设计用于低海拔运行的飞行器相比，平流层浮空器具有低功率推进系统和轻且脆弱的结构。对流层中的强风和湍流可能导致平流层浮空器的坠毁，例如2003年的Helios飞艇和2015年的Solara 50飞艇事故。因此，在低空飞行，特别是在发射和回收阶段，选择合适的天气窗口是非常重要的。例如Zephyr飞艇选择在沙漠地区晴朗无风的天气条件下发射[6]。在低空条件下，放飞区域的天气预报对平流层浮空器的成功运行具有重要影响。因此，飞艇飞行轨迹的仿真模拟研究也是非常必要的。

4.5 可靠性

数月甚至数年的长时间飞行意味着平流层浮空器需要有高可靠性的设备。平流层的环境在某些方面与太空很相似，例如非常低的温度、显著的温度周期（白天/晚上）以及强烈的太阳辐射和紫外线。因此，一个可靠的平流层浮空器需要采用高成本的太空设备和组件。这些太空设备和组件甚至必须应用于整个平流层浮空器系统，包括地面基站和数据连接。

5 技术趋势

基于平流层浮空器项目的发展现状，下面将对该领域可能的技术趋势进行分析。为了实现超长续航，目前的平流层浮空器项目大多是无人机，这一趋势正在日益加强。平流层浮空器项目的主要能源（太阳能电池板）的使用将会增加。对于夜间电能存储，目前还不确定会优先选择充电电池，如锂硫电池，还是RFC。由于电动汽车工业的发展，这两项技术有望在未来几年取得重大进展。

本文分析了7个平流层浮空器项目的信息，其中有5个项目在无法确定是否能获得理想成果的情况下关闭，2个项目正在进行中（泰勒斯Stratobus、谷歌Loon）。这一发现表明，平流层飞艇目前仍处在实验研究阶段，其技术成熟度尚未达到批量生产和商业运营的水平。目前，开发平流层浮空器项目所涉及的技术风险仍然较大。

6 结论

平流层浮空器具有的超长续航、部署周期短、成本低（与卫星相比）、覆盖面积大（与地面发射站相比）等优点，因此具有不可替代的地位。但是，其发展仍然不是一帆风顺，面临诸多挑战。在21世纪初平流层浮空器这一概念并没有引起人们很大的兴趣。一些看起来很有希望的项目，如日本、韩国的飞艇和美国的ERAST飞机，也都没有继续进行下去。在军事领域，美国在伊拉克和阿富汗冲突中的参与度下降，导致美国国防部停止了平流层浮空器项目。2003年的Helios飞艇事故和2011年的HALE-D飞艇事故，以及部分项目的中止，提醒人们，与平流层浮空器相关的技术仍处于较低的成熟度。一些技术难题仍然需要克服，例如：轻量级结构、RFC储能、飞艇热管理、低空作业和系统可靠性。

文献计量分析显示，2009年之前，在平流层浮空器领域发表论文最多的国家分别是美国、意大利、英国和日本。目前，中国已成为平流层浮空器领域科技论文的主要来源国。从2013年起，空客国防与航天公司、泰利斯阿莱尼亚航天公司、谷歌和Facebook对平流层浮空器项目的投资，给平流层浮空器的发展带来了新的希望。

参考文献：

[1]Levine J （2004） The promise of ERAST.

[2]Eguchi K， Yokomaku Y （2000） 2000 Overview of stratospheric platform airship R&D program in Japan. 2nd Stratospheric Platform Systems Workshop， 12-15.

[3]Lee HJ （2006） R&D on HAPs in Korea. ETRI.

[4]Daim TU， Rueda G， Martin H， Gerdsri P （2006） Forecasting emerging technologies： use of bibliometrics and patent analysis. Technol Forecast Soc Change 73（8）：981-1012.

[5]Zhu X， Guo Z， Hou Z （2014） Solar-powered airplanes： a historical perspective and future challenges. Progr Aero Sci 71：36-53.

[6]Rapinett A （2009） Zephyr ： a high altitude long endurance unmanned air vehicle （Master's thesis）. Guildford： University of Surrey.