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混合式飞艇airlander出事那一刻到底经历了什么? 精选

已有 6802 次阅读 2017-11-24 10:25 |个人分类:浮空器|系统分类:观点评述

作者:黄宛宁(中国科学院浮空器系统研究发展中心)


2017年的11月18日晚,我们得知了一个令人心碎的消息:网红飞艇Airlander(绰号“飞天屁股”)在当晚的一次测试中遭遇意外,艇体已经完全泄气(deflated)。虽然这也不是Airlander第一出现意外,但从浮空器专业人士的角度来看,这一次情况要严重的多:Airlander的总体积约36000m3,按照主气囊体积80%计算,仅仅是氦气的损失就在430万人民币左右(每立方米氦气按照150元计算)。

Airlander,中文译称“天空登陆者”号,是英国一家公司推出的号称全球最大的航空飞行器,外形像是飞机、飞艇和直升机的混合体,长达92米,高25.5米(相当于6辆双层大巴车)。又因其外形酷似人类臀部,被外界称之为“飞天屁股”。



Airlander艇体被迫释放氦气,损失惨重


Airlander已经完全泄气,等待转运回库内检修

对于一个浮空器设计者来说,一般只有在飞行阶段性结束,飞行器需要退役的时候才会做出释放浮升气体的操作,例如著名的固特异飞艇GZ-20退役仪式。当然还有一种情况,就是浮空器真的出现了大面积的破损,泄气是无奈之举。估计这次Airlander的情况应该属于后者。


固特异GZ-20飞艇退役仪式

2016年8月,Airlander曾经出现过一次意外,但是那次只是降落时负攻角过大,造成了驾驶舱的局部损坏,应该说损失并不是很大,艇体也是保存完好的,而且没有人受伤。经过几个月的修整和改进,它于2017年5月15日重返天空。



英国著名的Airship600飞艇也曾经遭遇过暴风雨的袭击,出现了艇体失压的严重情况,但值得庆幸的是,下面的吊舱和推进器几乎完好,整个飞艇在3个月后也修复完毕。



官方怎么说


截至目前,我们还没有得到事故过程的详细描述,也没有事故过程的视频,仅有事后的一些照片。在Airlander的制造商HAV公司的官方网站上,仅仅是发布了一个语焉不详的声明:




虽然非常简短,我们还是试图从中挖掘一些信息。字面上看:在使用锚泊拖车对Airlander进行转场的过程中,出现了锚泊塔与艇体脱离的意外情况,Airlander自动启动了安控措施(据推测是一个撕裂装置,能够将主气囊快速撕破,让艇体快速泄气)。锚泊点意外脱离的原因还在调查中,目前Airlander已经排气不成型,安全地待在地面。


在此次事故中,有一名女员工受伤,在第一时间被送到医院,目前情况稳定已经出院。还有一名员工在处理后续事故的时候受伤,但无大碍。


锚泊塔


在上述声明中,有一个陌生的关键词,就是mast,直译就是桅杆。这里的意思应该是锚泊车的桅杆,专业名词可以叫锚泊塔。


右上那个小短粗的杆子就是Airlander的锚泊塔了

锚泊塔在是飞艇和系留气球两类浮空器的重要设施,主要作用有两个:第一个是牵引转场,而更重要的作用是浮空器锚泊约束点,当浮空器在场地长期停留的时候,可以围绕锚泊约束点随风转动,以保持风阻最小状态,也就是艇头迎风。


第一个作用很容易理解,类似于飞机的牵引车。飞机牵引车是一种用于在机场地面牵引飞机移动的保障设备。跟汽车、船舶不同,飞机无法“倒车”。当一架飞机停在廊桥或停机位时,不靠外力牵引,它是不能自己到跑道“发车”的,这时候就需要牵引车。此外,如果飞机因为故障及机场环保等要求,或者为了减少运行成本而关闭其发动机,也需要使用飞机牵引车。



我们在机场都见过上图里这种扁扁的车,底盘低、重心低、质量大是其显著特点。作家萨苏曾经说过,他在机场工作的时候,一个哥们儿有一次偷偷开着牵引车出去玩,结果一不小心把一辆大卡车给怼翻了。



稍微穷一点的国家也有不用牵引车的,弄一个大力士也可以牵的动。加拿大51岁的牧师凯文·法斯特(Kevin Fast)一人就曾拉动重达189吨的飞机——波音C-17全球霸王。当然这样确实比较累,所以不推荐。



至少应该像印度人民一样,开个拖拉机牵引吧,经济实惠又好用,人家一直用它。


浮空器的锚泊车跟飞机的牵引车很容易区分,因为前者一般都有一根威武雄壮的锚泊塔。


固特异飞艇的锚泊塔,估计有十几米高


锚泊车牵引着固特异的最新wingfoot飞艇转场


事故过程分析


锚泊车最重要的一个作用,就是在外场长期锚泊停留。根据推测,本次事故很可能是发生在外场锚泊停留的状态下。因为HAV官方一直强调mast break away,也就是锚泊塔脱离。既然是脱离,肯定是受到了强大的外力,分析有两种可能:锚泊车的牵引力或者地面突然刮起的侧风。

   

如果是前者,在牵引的过程中脱离,无非是进入了起飞前的准备状态,因为正常飞行之前也要有这个过程。正常情况下是主动的脱离,如果是鼻塔与艇体的连接点被动脱离,应该也没有太大危险,因为飞艇本身就是净重的,在地面也是安全的,不至于启动安全控制机构释放氦气。    


那么最大的可能就是在锚泊状态下突遇侧风,将锚泊塔鼻锥处的约束破坏,同时侧风将飞艇吹翻,甚至由于飞艇的净重较小(可能在锚泊状态下配重不多),出现失控飘飞的情况。这种情况确实比较危险,考虑到驾驶舱内还有操作人员,为了人身安全,地勤人员通知操作人员执行安控操作,将艇体撕开,快速排除氦气,避免飞艇继续飘飞,这样的操作也是合情合理的。从Airlander瘫落的位置看,显然距离机场中心锚泊区有一些距离,所以有极大可能是被狂风吹走的。


从艇体上尾部矢量推进器的结构损伤推测,Airlander出事时发生了比较猛烈的撞击


Airlander瘫落的位置显然不是在机场的锚泊区域内,很可能是被阵风吹到机场周边



上图是Airlander场内锚泊的图片,中间红色的就是锚泊车,外面那个圆圈就是外场锚泊时的回转轨迹,正常情况下,遇到风向转变时,艇体会围绕锚泊塔随风自动旋转,逐渐稳定到艇头迎风的角度,这个情况下风阻最小。


当地面遭遇风切变,特别是强侧风时,这时飞艇侧面风阻最大,锚泊车鼻塔的约束点承受的力也最大。如果超出了约束力极限,则会出现鼻锥与飞艇上约束点脱离的情况,风阻最大的状态无法得到修正,飞艇就可能会被吹翻甚至失控飘飞。



上图是Airlander锚泊时的局部照片,可以看到中间的锚泊车通过斜拉钢索固定在地面的约束点,也可以看到在锚泊状态下驾驶舱离地面也是很近的。所以如果狂风将锚泊塔约束脱离,那对驾驶舱内的人来说是非常危险的,这个时候采取安控措施强行释放浮升气体,防止飞艇失控飘飞,避免人员伤亡也是非常必要的。


锚泊塔脱离的原因

   

至于锚泊塔脱离约束的原因,肯定有待HAV做出更加详尽的调查和分析。这里我想提两点看法。Airlander的锚泊车和艇体上约束点与传统的飞艇还是有很大不同的。传统大型飞艇都是从头部进行约束,例如齐柏林NT07,Airship 600,国内的华教2000等,几乎全都是一样的方案。


位于德国腓烈特港的齐柏林NT飞艇,锚泊车牵引飞艇移出艇库


Airship600锚泊状态(头部约束)


华教2000飞艇采用的也是头部约束(固定锚泊塔)

另外所有的系留气球系统也都是从球体头部进行约束的,当然跟飞艇不一样。系留气球属于净轻的浮空器(所谓净轻,简单说就是浮力大于自身重力),所有不需要有起落架之类的着陆机构,除了头部约束点,一般在球体两侧还有两个约束点。


洛克希德马丁公司的PTDS(持久威胁探测系统)系统,这样的锚泊车设计也是大部分中大型系留气球系统采用的经典造型

只有Airlander的锚泊车采用的是在飞艇的腹部约束。这样的设计,除了对锚泊塔的要求会低一些之外,我认为没有什么别的优点,反而使艇体腹部的受力状况会比较复杂,不利于增加其约束力。


位于Airlander腹部的锚泊车,看样子好像是由履带式拖拉机改装的


图中红圈内就是Airlander的艇上锚泊约束点,相比起头部约束,这样的约束点可能比较单薄

如果说Airlander的头比较扁,不适合采用头部的鼻锥约束的话,国产的混合式飞艇“068基地双椭球飞艇”造型跟Airlander类似,但是同样采用了比较成熟的头部鼻锥约束的方案。所以感觉Airlander的锚泊方案并不是一开始就设计好的,而是后来改装的。


国产”飞天屁股”068基地的双椭球体飞艇,也是采用的头部约束

另外一个可能的原因是Airlander的移动平台设计。

   

我们从照片上都可以看到,Airlander并没有设计起落架,或者气垫式着陆装置,这跟传统飞艇有很大的差别。


跟Airlander同属于混合式飞艇的P-791,采用了4个大象腿一样粗壮的气垫装置作为着陆系统,但P-791没有设计外场长期锚泊的功能


美国海军的MZ-3A飞艇采用起落架回转



Airlander没有起落架,也没有气垫,着陆时靠上图红色区域的两根管状缓冲垫缓冲。这样起降是没有问题的,但地面如何转场呢?


Airlander的转场或者锚泊回转是依靠下图红圈的白色平台,下面安装的带轮子的底盘实现的。




这张图可以依稀看到移动平台的轮子

假如轮式平台出现转动不够灵活的情况,在强侧风情况下,没有快速回转,而造成锚泊塔处的受力持续增大,也许是造成约束脱离的一个原因。

其实这么大型的飞艇也许不应该在艇库外长期锚泊,但是因为艇库的宽度对于Airlander来说并不够大,在通过艇库大门的时候操作非常谨慎,飞艇的尾翼距离艇库大门最近的地方仅有6米,与其经历出入库的风险,还不如呆在库外。所以感觉无论是锚泊车约束还是库外锚泊的回转平台,这些都像是在HAV公司低价回购了LEMV之后,对其改装后加的设备,也许是无奈之举,难免存在一定安全隐患。当然Airlander做了很多后期的改装工作,其中吊舱附近的充气支撑垫就是在第一出现着陆故障之后,改进增加的设备。


2017年增加的两个辅助着陆气垫,只有在着陆的时候才会充气展开,用来保护吊舱


2016年Airlander首次试飞的时候并没有驾驶舱两边的辅助气垫

结语

当然,本文内容仅仅是笔者根据目前有限的信息做出的推测,真正的事故原因还需要HAV公司做出详尽的调查之后公布。不管怎么样,希望Airlander能够早日修复,重返蓝天。




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