飞艇界的蠕动精华——“蠕虫”飞艇
仿生学一直是科研人员们热衷的研究方向，生活中不乏许多仿动物运动的现代科技，比如Festo的仿生系列。动植物的体态和运动方式经过上亿年的进化肯定拥有它自身的优势，仿生设计则是我们学习和提炼自然规律的最好方式。今天我就要讲讲浮空器界的仿生产物 ——“蠕虫”飞艇。
蠕虫飞艇飞行视频
传统的平流层飞艇已经具备了飞行高度高、隐身性能好、生存能力强 、覆盖范围大 、任务成本低、工作寿命长 、装备周期短、信息获取与传输能力强、可快速布置和转移等方面的优势，具有极高的军事应用价值,在国防安全体系中具有重要的作用和地位。但是，随着任务的逐步加剧，飞艇的体积也越做越大，如何克服飞艇在平流层环境长时间运行又不用增大它的设计体型成了一大难题。飞艇结构轻量化设计是减轻艇体质量，缩小艇体积，增加驻留时间的重要手法。从仿生学上看，蠕虫细长而分段的体型减小了总体的体积，又具有很好的机动性能，于是，飞艇界的蠕动精华——“蠕虫”飞艇便应运而生。
早在1991年，德国斯图加特大学航空工程计算结构力学研究所便启动了“LOTTE-1”飞艇研究计划，并于1993年4月成功试飞。1996年，斯图加特大学又以“LOTTE”飞艇为试验平台，为了解决高空飞艇结构重量问题，他们提出了分段式蠕虫飞艇（Airworm）概念方案（如图1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。Airworm的出现开启了“蠕虫”飞艇家族的大门。
图1 “蠕虫”（Airworm）飞艇
2002年，斯图加特大学与美国Sanswire公司合作，与无人机飞行器制造商TAO技术公司联合研制了Sanswire-TAO（STS-111）多节柔性超轻型飞艇（如图2所示）。Sanswire-TAO是一款用于执行情报收集、监视、侦查（ISR）任务的新式“气动链式”平台，它的外型呈“蠕虫”状，整个囊体被分割成四个相互连接的单一囊体，长约34米，最大直径3.4米，它采用天然气细胞动力推进和发电，任务高度为3000至9000米，能够独立飞行2.5天。
图2 Sanswire-TAO（STS-111）多节柔性超轻型飞艇
Sanswire-TAO（STS-111）的四个囊体间采用铰链连接。通过对分段囊体的单独控制实现了飞艇飞行过程中的稳定性控制，因而不需要在分段囊体上安装舵面等平衡机构。和许多软式飞艇类似，囊体内部包括球形副气囊，其中，第一段囊体中充入氦气，产生的静升力是艇体升力的主要来源，第一段下部附着的小型推进器提供推力和偏航力，其他三段由铰链连接，用以维持艇体的稳定性（如图3所示）。
图3 Sanswire-TAO（STS-111）工作状态
“蠕虫”飞艇相比于传统飞艇具有很多独特的优势。传统的轴对称椭球形飞艇为了承受气动弯矩需要高压差，高压差意味着高的蒙皮张力，因而提高了囊体结构重量。而分段式蠕虫状飞艇降低了艇体飞行过程中所受的气动力和气动力矩，从而降低了保持艇体外形所需要的内外压差；艇体结构重量的均匀分布，降低了静态载荷；同时无舵结构进一步实现了载荷的均匀分布和降低结构重量。另外，由于该飞艇的特殊外形，当遇到强风时，不会像气球那样无法控制姿态，而会随着风向和风势自由摆动（如图4所示），这样可以很好的维持自身的稳定性和机动性能。
图4 Sanswire-TAO（STS-111）风中的工作状态
Sanswire-TAO（STS-111）多节柔性超轻型飞艇可以携带高解析度侦察相机或者其他遥感设备，在目标上空约5000米的高度盘旋，再加上它极高的隐蔽性，几乎无法被雷达探测到，是一个很好的“看不见”的空中监视器。除此以外，Sanswire-TAO公司开展了多次演示验证试验，并且在STS-111型号的基础上，又推出了STS-230型号，预计艇长约70米，最大直径7米，可在9000米高度的任务环境中稳定工作6天。从此，“蠕虫”飞艇家族中的成员逐渐庞大起来。
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33.3米，直径3.3米，由相互连接的多个模块组装而成（如图5和图6所示），分节设计，结构更加灵巧。
图5 Argus One “百眼巨人”发放
图6 Argus One “百眼巨人”空中工作状态
“蠕虫”飞艇跟它的名字一样，多段式的艇身就好似一条在空中漂浮的蠕虫，随着风向和风势的变化自由摆动。从外形上看，极具创意的总体设计给人耳目一新的感觉，同时从仿生学上看，飞艇模拟了蠕虫向前蠕动的运动方式，减少了自身的气动阻力和气动力矩，而且也减轻了自身的结构重量，提高了自身的稳定性和机动性能。可见，“蠕虫”飞艇是飞艇界真正意义上的蠕动精华！
看看人类蠕动精华的表演