简述平流层浮空器的技术发展趋势

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。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

1 介绍

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。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。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，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）。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層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。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。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。

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 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。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。

参考文献：

[1] 李魁.基于平流层风场预测的浮空器轨迹控制[J].北京航空航天大学学报，2019

[2] 吕品.大气边界层中风机流场及改进谱方法数值模拟研究[D].哈尔滨工业大学，2020

[3] 习佳.实时风功率预测算法研究[D].内蒙古科技大学，2020.

作者简介：

潘东华（1976.12—）高级工，江苏灌云人，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究