没有螺旋桨？不是问题。这只飞艇只靠浮力飞行

Andrew Rae

去年3月，在英国朴次茅斯的一个寒冷的夜晚，一架全新的飞行器首次在一座曾用于为皇家海军建造扫雷舰的巨大建筑中，沿着一条120米长的昏暗长廊飞行。

这架飞行器是“凤凰”号，是一艘没有飞行员的小型飞艇，它没有发动机，但可以通过改变浮力和方向来推进。飞艇原型长15米，翼展10.5米，满载150公斤(330磅)。它在整个建筑里遨游，每次飞行都需要它上下波动大约五次。

用这种奇特的方式飞行有很多好处。首先，飞艇只需要很少的能量，这使得它能够用于完成长期任务。此外，它免去了旋转的旋翼和压缩机叶片，也不会排出猛烈的气流，而这些会对地面上甚至空中的人和物体造成潜在危险。最后，它很酷，因为它像海洋里的生物一样遨游。

早在1864年，采用这种方式推进的概念就有了，并由当时新泽西州的所罗门·安德鲁斯(SolomonAndrews)申请了飞艇技术专利(美国专利43,449)。安德鲁斯把这艘飞艇命名为Aereon，他提议用氢气作为浮升气体，使飞艇上升。然后，飞艇通过排出一部分氢气来减少浮力，从而下降。最后，通过抛掉飞艇下面的吊舱里的压舱物，飞艇的净浮力又将得以恢复。

飞行员将通过沿着吊舱行走来控制飞艇的姿态。走到前面使重心移到浮力中心前面，使飞艇的头部向下倾斜，走到后面会使艇头向上翘起来。

首航:“凤凰号”的飞行在一个巨大的机库中进行，展示了它的无螺旋桨推进的特殊性能。飞艇通过改变浮力上下移动，同时调整攻角来产生水平力或推力。它的速度很低，使流线型的艇面不易与空气产生摩擦。

安德鲁斯建议，这两种方法可以结合使用，推动飞艇按一个正弦轨迹飞行。上升时抬高艇头，下降时降低艇头，会使空气动力与浮力(轻于空气时)或重力(重于空气时)的组合在飞行路径上形成矢量分量。而这个分量提供了推力，但是在飞艇刚起飞和达到最高点时，只有动力才能使它推进。我们进行的飞行测试是以步行速度进行的，所以空气动力很小。在飞行路径上，总伴随着浮力或重力的分量部分。

安德鲁斯在他的专利中描述道，当飞艇耗尽氢气或抛完压舱物时，飞行就必须结束。后来，他又建造了第二艘飞艇，通过把空气压缩进去或者排出，使飞艇可以上下飞行而不必丢弃压舱物。他的想法是合理的，而实现这一想法并开发出一架实用的飞艇的关键是以可持续的方式改变浮力。

这种推进模式经过一定变化后，已经在远程操作的水下潜艇中进行成功演示。许多这种“潜艇”通过空气的充入和排出来改变囊体中水的体积。这种潜艇曾被用作远距离调查工具，它可以定期浮出水面上传收集到的数据。因为水的密度几乎是空气的1000倍，所以这些无人潜艇不需要改变囊体体积就能改变净浮力。

这种可变浮力概念的航空版本已经进行过试验。新墨西哥州立大学的物理科学实验室在2000年早期进行了一个名为Aerobody的演示项目，所有人做的就是证明这种奇特的推进形式是可行的。在此之前，还没有人开发过它在超长续航应用上的商业潜力。

“凤凰”项目是由 Athene Works公司开发的一个小型演示系统发展而来的，这是一家由英国国防部资助的公司，专门从事创新。这个系统非常成功，引起了致力于测试新想法的政府机构Innovate UK和航空技术研究所(AerospaceTechnology Institute)的兴趣。航空技术研究所是一家政府资助的机构，致力于推动航空运输中的技术革新。

一种革命运动:飞艇的竖直运动产生水平的冲力，飞艇本身是通过将外部的空气压缩到内部的“肺”而产生的。这种吸气和呼气的过程非常安静，而且非常高效。

我的同事和我只有不到四年的时间来开发这些组成技术，其中大多数是定制的解决方案，然后构建和测试新工艺。许多组织参与了这个项目，过程创新中心负责管理整个协作。我担任首席工程师。

为了进行上下运动，飞艇吸入并压缩空气到内部的“肺”中，使自身重于空气；然后它释放压缩空气，再次变得比空气轻。把飞机想象成一种生物，它在前进的同时进行吸气和呼气。

15米长的机身内填充了氦气以获得浮力，机身呈水滴状，代表了球形(球形是用一定数量的材料可以最大限度地释放气体的理想形状)和细针型(细针可以最小化阻力)之间的折中。在飞艇能够达到的相对较低的速度下，艇身的流线型足以避免涡流。对于我们的水滴状艇身，唯一的阻力来自于它平滑表面的空气摩擦，而这种摩擦非常小。

这种外壳是用Vectran制成的，这种纤维非常坚固，非常紧密，能够承受内部压力，与热塑性聚氨酯涂层结合在一起，可以将氦气密封在里面。外壳的关键的是要有足够的强度来保持正确的形状，即使飞艇内部的“肺”正在膨胀。

无论是上升还是下降，飞艇都必须控制它的姿态。因此，它的机翼顶部有副翼来控制飞艇的转动。飞艇后部是一个十字形结构，带有一对水平稳定器，其中包含升降装置来控制飞艇向上或向下倾斜，还有一对类似的带有方向舵的垂直稳定器来控制飞艇向左或向右倾斜。飞艇表面的囊体材料在结构上与木材、纤维织物、线缆等有很大的共同之处，而这些材料是在20世纪初的最先进飞机上使用的。

两根碳纤维支架贯穿侧翼，提供支撑力量。侧翼沿翼梁分布，每个侧翼由夹在碳纤维杆之间的泡沫组成。一层薄薄的膜包裹着侧翼，形成了翅膀一样的形状。我们设计的水平和垂直尾翼部分彼此相同，并与侧翼的外板相同。因此，我们能够限制部件的类型，使飞艇更容易建造和维修。

沐浴阳光

当储能电池/燃料电池与太阳电池相结合时，就可以满足飞艇在定点驻空时的日常需要，就像一个简易版卫星一样。在这里，您可以看到光电系统在艇翼和水平尾翼上的装配和测试[第一幅图]；垂直和水平尾翼组合结构的移动[第二幅图]；水平尾翼[第三幅图]的检查；以及组件在“凤凰”号中的放置[第四幅图]。

飞艇上的电力系统为气泵和阀门提供所需的电力，这些泵和阀门用于给副气囊充气和放气。它还为飞行控制过程中所需的各种执行器供电，同时保持飞行器的自主飞行控制系统正常工作。一个容量为3千瓦时的锂离子电池组作为储能单元，在黑夜的情况下可以满足这些功耗需求；而在白天，柔性太阳电池阵列（大部分位于艇翼上表面，其余部分位于水平尾翼的上表面）为锂电池充电。我们通过在有阳光的室外地面进行测试，结果表明这些太阳电池可以同时为飞艇的所有载荷系统供电，并在合理的时间内为锂电池组充电，因此证明“凤凰”号完全可以自给自足。

我们曾设想使用氢氧燃料电池作为储能单元，但出于消防安全的要求，它还没有完全准备好进行室内飞行试验。我们计划后续试验再增加第二个电储能电池以备冗余。另外，如果我们用氢作为浮升气体，燃料电池可以用来补充飞艇囊体泄露而损失的氢气。

那么飞艇的飞行状况如何呢？在我们的测试中，我们对自主飞行控制系统进行了编程，通过对内部气囊的阀门和压缩机进行在线操作，使其遵循正弦飞行轨迹。在这方面，飞艇的飞行控制系统与潜艇的浮力控制系统更加相似，而与普通飞艇的飞行控制系统却相差甚远。

我们必须设定严格的高度限制，以避免在室内测试中接触到建筑物的顶端和地板。在正常飞行中，飞艇可以自行决定其上下运动的幅度和每次波动变化的距离，以达到所需的速度。要做到这一点，需要进行一些复杂的计算并且精确地执行控制命令，这与安德鲁斯在吊舱上通过抛压舱物来控制上下的过程相去甚远。

尽管我们迄今为止的试验只是在测试一个之前未经证实的概念，但“凤凰”号现在可以作为一艘有商业价值的飞艇原型。下一步是让“凤凰”号获得适航认证。为此，它必须通过室外飞行试验。当我们在策划这个项目时，这个认证有一系列的重量阈值，150公斤是英国民航授权下的“飞行许可”上限。如果它过重了，就需要欧盟航空安全局的批准，然而申请该类审批将大大超出我们的预算，包括时间和金钱。在英国完全退出欧盟后，认证过程将有所不同。

这种飞艇的商业应用并不难想象。一个很好的例子是高空伪卫星，一种可以随意定位的飞行器，可以将无线信号传送到遥远的地方。现有的飞行器都需要非常大面积的太阳能电池阵列和大型储能电池，这增加了飞行器的重量和成本。由于“凤凰”号只需要在侧翼和水平尾翼上安装小型太阳能电池阵列，它的造价可以达到同功能太阳电池飞机的十分之一。它是一种廉价的、近似一次性使用的飞行替代品，其有效载荷质量比要远远高于同样功能的飞机。我们设计的更大版本的“凤凰”号表明，将100公斤的有效载荷提升到20公里的高度是可行的。

我们目前已经开始研发这样一个新一代“凤凰”号。也许有一天你会看到天空中的一个点，一动不动地并且懒懒地垂在头顶上方，那就是它。

这篇文章刊登在2020年7月的印刷版杂志上，标题是“This Blimp Flieson Buoyancy Alone.”

关于作者

Andrew Rae是苏格兰因弗内斯高地和岛屿大学的工程学教授。

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