飞艇是一种依靠浮升气体提供静升力、依靠推进系统和控制系统实现操纵飞行，轻于空气的浮空器。

飞艇的总体布局、飞行机理和工作模式显著不同于飞机、导弹、卫星等飞行器。

近年来，美国、英国、德国、俄罗斯、瑞士、韩国与中国等国都积极开展飞艇研制工作。

高空飞艇

高空飞艇（high altitude airship,HAA）又称为平流层平台系统（Stratospheric Platform System，SPS），其任务目标是长期驻留在美国海岸地区上空，用于区域预警和国土防御，如图1.5所示。

图1.5 HAA项目示意图

2002年10月，美国导弹防御局（Missile Defense Agency，MDA）启动HAA项目。2003年9月，MDA与洛克希德•马丁公司（简称洛马公司）签订合同，开始第一阶段项目研究。2004年11月，美国国防部批准项目研究进入第二阶段，开始研制原型艇并进行演示验证。2005年6月，洛马公司开始为期四年的第三阶段项目研究，研制长131m、直径45.74m的原型艇，预定飞行高度为18.3km，驻空时间为1个月。

2008年初，HAA由MDA转入美国陆军空间与导弹防御司令部/陆军战略司令部（USASMDC/ARSTRAT）。2009年4月，USASMDC/ARSTRAT委托洛马公司研制HAA的试验艇HALE-D。2011年7月27日，HALE-D飞艇在俄亥俄州（Ohio）阿克伦城（Akron）进行了首次飞行试验。

HAA概念设计方案如图1.6所示，采用椭球旋转体外形，艇体内置氦气囊和空气囊，用于浮力与压力控制；艇体两侧各安装两台电动螺旋桨作为推进装置；艇体上表面铺敷薄膜太阳能电池阵列，用于提供电能；艇上搭载雷达、红外传感器和通信设备等有效载荷。

HALE-D是HAA的试验艇，艇体由流线型旋成体艇囊和“X”型充气尾翼组成，如图1.7所示。艇体内置氦气囊和空气囊，用于浮力与压力控制，艇体表面采用热控涂层技术缓解辐射受热问题。

图1.6 HAA概念设计

图1.7 HALE-D飞艇

HAA的主要设计参数见表1.1。

表1.1 HAA主要设计参数

HALE-D的主要设计参数见表1.2。

表1.2 HALE-D主要设计参数

2011年7月27日早上5：47，HALE-D从位于美国俄亥俄州阿克伦城的Airdock基地放飞，升至9.75km高度时因净浮力不足导致无法上升，随后终止飞行试验，通过释放氦气降落，平均下降速度为6.1m/s，上午8：26降落在宾西法尼亚州（Pennsylvania）西南部的格林郡（Greene）。此次试验虽然没有实现预定目标，但验证了飞行控制、通信链路、推进系统、能源系统等部分关键技术。HALE-D飞行试验情况如图1.8所示。

（a）出库

（b）放飞

（c）升空

（d）降落

图1.8 HALE-D飞行试验

高空哨兵飞艇

高空哨兵飞艇（HiSentinel）是复合艇体高空动力平台(composite hull high altitude powered platform，CHHAPP)项目计划的一部分，其目标是开发用于战术通信、对地观测和侦察监视的平流层飞艇平台。HiSentinel飞艇由美国西南研究院（SouthwestResearch Institute，SWRI）、美国Aerostar公司和空军研究实验室（Air force Research Laboratory，AFRL）联合研制。HiSentinel系列飞艇包括HiSentinel-20、HiSentinel-50和HiSentinel-80，如图1.9所示。

（a）HiSentinel-20

（b）HiSentinel-50

（c）HiSentinel-80

图1.9 HiSentinel系列飞艇

HiSentinel的主要设计参数如表1.3所示。

表1.3 HiSentinel主要设计参数

2005年11月8日， HiSentinel-20成功完成飞行试验，此次试验携带约27kg有效载荷，飞行高度为22km，飞行时间为5h。HiSentinel-20采用类似高空气球的方案，放飞时为半成形，上升过程中自由膨胀成形。2008年6月，HiSentinel-50在新墨西哥州进行了首次飞行试验（见图1.10），上升至20km高度后由于艇囊内外压差超过阈值导致囊体破裂，随后降落至地面。

图1.10 HiSentinel-50 飞行试验

2010年11月10日，HiSentinel-80完成首次飞行试验，此次试验目的是获取HiSentinel-80的性能参数以及测试有效载荷的工作性能。HiSentinel-80在20km高度短暂滞空8h，但是因飞行控制故障处于自由飘飞状态，下降过程中因氦气阀故障导致无法顺利降落。

传感器结构一体化飞艇

美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)于2004年启动传感器结构一体化飞艇项目（Integrated Sensor Is Structure, ISIS），其目标是研制一种将轻型相控阵雷达传感器集成于艇体结构的平流层飞艇（如图1.11所示），实现对地面和空中目标的持续监视。2009年4月28日，DARPA与洛马公司签订合同，开始研制ISIS原型艇。

图1.11 ISIS飞艇概念设计图

ISIS同样采用椭球旋转体外形，艇体内置氦气囊和空气囊；艇体表面集成6000m²的超大孔径有源相控阵雷达，用于跟踪空中与地面移动目标。ISIS的主要设计参数见表1.4。

表1.4 ISIS主要设计参数

按照DARPA的研究计划，ISIS项目分为三个发展阶段：第一阶段（2004～2005年）为可行性论证阶段，主要开展系统可行性研究，包括系统设计、需求分析和传感器设计；第二阶段（2006～2008年）为系统研究与技术开发阶段，主要研究系统关键技术，包括低面密度囊体材料、轻质低功率密度雷达阵列、超低功率发射/接收模块设计；第三阶段（2009～2013年）为缩比艇演示验证阶段，开展缩比艇的制造、系统集成和演示验证试验。目前，尚无关于ISIS飞艇演示验证试验的公开报道。

“攀登者”飞艇

“攀登者”飞艇(Ascender)是美国空军空间作战实验室和空间作战中心所提出的临近空间机动飞行器（near space mobile vehicle，NSMV）项目的原型艇，2003年初由JP航宇公司开始研制，2003年9月完成。“攀登者”飞艇外形呈“V”字形（如图1.12所示），长53m，宽30m，装有两台螺旋桨推进器，由燃料电池提供能源。

图1.12 攀登者飞艇

2003年11月，未携带任何任务载荷的“攀登者”飞艇被释放至30km高空进行初期验证试验，并成功返回地面。此外，JP航宇公司还为“攀登者”飞艇进行了配载试验，携带45kg的通信设备和成像设备，上升至平流层高度，完成了地面操作指令反应以及巡航、驻留和降落等飞行试验任务。

平流层卫星（Stratellite）

平流层卫星（Stratellite）是美国Sanswire公司提出的一种用于通信和实时监视的平流层飞艇，如图1.13所示。2005年3月12日，美国Sanswire公司展示了其研制的Stratellite样机，该样机长57m，体积是目标艇的三分之一。2005年5月9日，Sanswire公司成功完成了Stratellite样机的浮空试验。2005年7月，Sanswire公司同欧洲、中东、非洲的一些国家达成合资协议，在上述国家部署无线通信平流层飞艇平台。

图1.13 Stratellite飞艇

平流层卫星的预定飞行高度为19～21km，留空时间为6个月；采用太阳能电池提供能源，依靠螺旋桨推进器实现低速机动；可携带多种任务载荷，如用于因特网、高清数字电视、图像传播以及其它通信网络的仪器设备，以实现通信中继。Sanswire公司计划将多个平流层卫星组成一个大规模的中继站网络，以覆盖美国全境，为军事应用和国家安全防务提供更多服务。

高空长航时航空平台（HALEAP）

欧洲航天局（EuropeanSpace Agency，ESA）于1998年6月启动高空长航时航空平台（high altitude long endurance aerospace platform，HALEAP）项目（如图1.14所示），用于通信、对地观测和科学探测等领域。

图1.14 HALEAP概念设计

1998年9月，Diamler Chrysler和Lindstrand Balloons两家公司向ESA提交了项目方案。2000年3月，ESA联合德国宇航公司、英国LindstrandBalloons公司和荷兰代尔夫特理工大学完成了项目方案评估。ESA拟研制长200m、直径55m的高空飞艇，驻留高度20km，驻空时间5年。HALEAP的具体研究计划为：预先研制两艘试验艇D15(巡航速度15m/s，飞行高度15km)、D20(巡航速度20m/s，飞行高度20km)和一艘原型艇。D15主要用于验证平流层飞艇的可行性，D20主要用于验证持久驻空的可行性和飞行控制能力；原型艇的性能与工程艇的性能接近，为工程实用平台研制提供技术基础。近期尚无关于HALEAP的公开报道。

蠕虫飞艇（Airworm）

德国斯图加特大学(Stuttgart University)航空工程计算结构力学研究所于1991年启动“LOTTE-1”飞艇研究计划，1993年4月成功试飞。1996年，斯图加特大学开始为期3年的研究计划，以“LOTTE”飞艇为试验平台，开展相关理论研究和技术试验。为解决高空飞艇结构重量问题，该研究团队从艇体结构入手，提出了分段式蠕虫飞艇(Airworm)概念方案（如图1.15所示），以实现结构轻量化。Airworm将整个艇体分为若干相互连接的囊体，囊体内置球形副气囊，通过对分段囊体的单独控制，实现对飞艇的控制。该设计方案降低了保持囊体外形所需的内外压差。

图1.15 Airworm飞艇

2002年，斯图加特大学与美国Sanswire公司合作，成立Sanswire-TAO公司。该公司突破多项关键技术并开展了多次演示验证试验。2011年，斯图加特大学和Sanswire公司终止了合作关系。Sanswire公司在已有基础上继续开展研究工作，并将项目更名为Argus。Argus的首个试验艇“百眼巨人”（Argus One）于2011年11月完成首次飞行试验。Argus One长33.3m，直径3.3m，由相互连接的多个模块组装而成（如图1.16所示），分节设计，结构灵活。近期尚无关于Argus One的进一步报道。

图1.16 Argus One飞艇

中国科学院光电研究院科学试验飞艇

中国科学院光电研究院气球飞行器研究中心长期从事浮空器研究工作，近年来成功研制KF系列飞艇。其中，KF13飞艇集成了艇囊复合材料、飞行控制、薄膜太阳能电池、高效锂镁电池等多项关键技术，并通过飞行试验验证了其可靠性。2011年7月9日至9月10日，气球飞行器研究中心在内蒙古四子王旗成功实施了三次科学试验飞艇的飞行试验（如图1.17所示），验证了发放、上升和下降方案及平飞控制、动力推进、测控等关键技术，为平流层飞艇研制工作提供了技术支撑。

图1.17 中国科学院科学试验飞艇

“致远一号”飞艇

2008年2月26日，上海交通大学空天科学技术研究院启动了“致远一号”（ZY-1）飞艇项目，见图1.18。

图1.18 致远一号飞艇

ZY-1飞艇主要设计参数为：长25m，体积750m³，最大飞行高度800m，最大抗风能力12m/s，留空时间4h。ZY-1飞艇的设计方案体现了平流层飞艇所需的关键技术指标，同时基于技术可行性考虑，在某些方面利用了成熟的低空飞艇设计和制造技术。2009年3月17日，ZY-1飞艇的验证艇在苏州成功试飞，验证了导航控制、数传、测控等技术方案的可行性。2009年11月8日，ZY-1飞艇成功完成飞行试验，为后续平流层飞艇研制工作奠定了基础。

本文由安静摘编自郑伟、杨跃能著《飞艇飞行力学与控制》（2006年1月 第1版）绪论，内容有删减。

978-7-03-046042-4

飞艇是一种依靠浮升气体提供静升力、依靠推进系统和控制系统实现操纵飞行，轻于空气的浮空器。飞艇的总体布局、飞行机理和工作模式显著不同于飞机、导弹、卫星等飞行器，其飞行力学与控制研究存在诸多新的挑战与难题。《飞艇飞行力学与控制》主要针对飞艇飞行力学与控制问题，着重阐述飞艇飞行力学模型、飞行模态以及飞行控制方法。全书共分为7章，分别介绍飞艇发展历程与研究现状、飞行力学模型、飞行特性、姿态控制、航迹控制、驻留控制以及总结与展望等内容。

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