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对现代飞艇推进概念的批判性回顾
Galina Ilieva1lowast;, Joseacute; C. Paacute;scoa1dagger;, Antonio Dumas2Dagger;, Michele Trancossi2sect;
摘要：
几十年来，飞艇被贬低到只被视为纯粹好奇的水平，似乎现在重新被拾起。其主要原因与材料技术，空气动力学，能源和推进方面的最新进展有关。飞艇也将自己介绍为绿色友好的空中客车，特别是如果考虑太阳能飞艇。 他们长期保持高空的能力也扩大了他们适合的任务轮廓的范围。 这里我们集中在飞艇的推进机制的批判性概述。这些包括对飞艇推进过去，现在和未来使能技术的详细概述。重新考虑了不同的概念，并且为不同的推进系统机制制定了飞艇几何和飞行力学之间的联系。
关键词：飞艇、浮力、提升气体、推进、评估
1介绍
飞艇具有固有的能力，即无需在机翼周围使用空气动力学就能生成升降机，就像重型车辆一样。这使得它们在我们需要以低成本巡回的情况下是有利的，能提供具有低能耗的长期耐用性的飞行器。我们必须明确表示，我们不是处理气球和航空器，因为这些没有使用动力作为推进手段。在欧洲，飞艇的复兴也得到欧盟的支持，其为项目MAAT-多体高级飞艇提供了运输资金。这个由12个研究机构组成的项目，介绍了用于运输人员和货物的馈线/巡洋舰。随着飞艇重新兴起，在那里有一些作者提出了关于这项技术的最先进的更新[1]。特别关注飞艇动力学建模和结构设计的进展。然而，仍然缺乏专门针对推进概念的类似出版物，这是本工作的范围。
通常说，在上世纪30年代末的飞艇时代的结束，主要是由于兴登堡的灾难，但实际上并非如此。事实上，当时比飞艇相对更重的飞机在速度，范围和生产力方面更具竞争力。可以考虑的基准之一是DC-3，那时候的运行成本明显降低， 更高的巡航速度比兴登堡更有价值，那是当时最先进的飞艇。然而，在第二次世界大战期间和之后，飞艇仍然继续为军事活动提供有限的支持。 实际上，对于某些类型的飞行任务而言，这些任务仍然优先于飞机[2]。
作者回顾多年来飞艇结构[3]的重新搜索。他们还定义了几种常规的飞艇分类。这些包括非刚性，半刚性和刚性的飞艇，所有这些都与信封的想法有关。然而，还提出了非传统设计，包括球面，透镜和飞翼设计。以及三角肌，飞镖，扁平体，环和气球的形状，导致较小的程度。最常见的非刚性飞艇由填充有升高的气体的织物制成的柔性包层组成。信封稍微加压以保持其形状。还配有内部气球，内部空气隔间充满空气。当外部大气压力和温度随高度变化时，可以扩大和收缩以保持信封中的压力。特别地，刚性飞艇包括通常由铝制成的刚性结构，其可以支撑隔间，推进系统和其它设备的重量。在这种结构中，有几个上升的气体单元可以膨胀和收缩以适应外部压力和温度变化。目前，大多数飞艇结构都是非刚性或半刚性的。
如我们所说，虽然已经提出了非常规的飞艇形状，但大多数设计已经演变成具有圆形横截面和椭圆轮廓的所谓长椭圆形。从空气动力学的角度来看，最佳设计使得刚度比为6，非刚性细度比为5的细度，后者通常比较低的巡航速度刚性低。这种经典的飞艇信封具有非常好的设计形状，在空气动力学性能方面。即使使用目前的实验和数值方法，也不要指望这些飞艇的外部空气动力学改善。在结构和材料中，过去50年的演变非常强烈。此外，大量飞行员一直在研究飞艇结构的建模和分析[3]。这导致基于分析的工具和基于有限元法（FEM）的非常详细的数值计算。优点是可以对结构的静态和动态行为进行计算。这些计算主要用于平流层和高空飞艇，主要用于军事目标[4,5]。
浮力提供了一种非传统的电梯形式的不适合长期错误的不适合常规飞机的方式。 为了提供电梯，它可以包括填充有升高的气体的气球。 在主航天器信封中，大容量和密度变化将有助于维持升力[6]。
众所周知，由飞艇产生的向上的浮力等于被排出的空气的重量。该力通常被称为总升力，并且被定义为排出空气的净体积的函数，给定高度的空气密度和重力加速度。如果我们减去提升气体的重量，则可以获得净升程。置换空气的体积等于提升气体所占的体积，因此，考虑到地球加速度，净升程被称为净体积和空气和提升气体密度之间的差异。净升降机可用于抵消包含有效载荷的飞艇结构的净重。在发射高度（假定为海平面）时，空气密度处于最高值。气球（充满空气）扩大到最大体积，净容积最小。当飞艇开始上升时，环境密度和压力都会下降，空气自动从气球中弹出以匹配跌落压力。在上升期间，在给定的高度，气球将变得完全空。不能进一步膨胀提升气体体积。随着密度的下降，持续上升导致净升幅降低，但体积保持不变。压力差也会增加，产生超压状态，如果内部压力过高，则会导致外部皮肤破裂。提升气体可以被排放以避免破裂，但是这在长期耐久性应用中是非常不希望的，因为它降低了可用的升力并缩短了使命寿命周期。因此，这是一个重要的标准，特别是在自主行动中，将飞艇保持在压力高度以下。提升气球通常位于主信封内部，但在某些特殊情况下，为了减小它们可以安装在外面的质量。
为了产生升力，还有一个新的实验混合型，轻型轻型车辆[7]。 这些混合动力车包括飞艇技术和常规固定翼升降技术的混合。 虽然这些使用浮力原理，但它们也使用提升体来提供额外的有效负载能力。
2早期的推进概念
大多数古典飞艇依靠在奥托或柴油循环中运行的内燃机。内燃机比涡轮发动机重，即使它们对于小型发动机来说具有较低的燃料消耗。这些年来，两台发动机已经发展，现在它们具有非常好的可靠性，特别是涡轮轴发动机。对于推力目的，已经使用了推进器和管道风扇，其中管道风扇具有较低的噪声，并且对地勤人员进行更安全的处理。到了1930年，所有这些机构已经融入了那些时代最好的技术。兴登堡的四台引擎由戴姆勒 - 奔驰建造，其中包括16缸发动机，额定最大输出功率为1320马力，功率为1650 RPM。发动机以压缩空气启动，并可以在飞行中启动，停止和倒车。通过使用2:1减速机，每个发动机连接到四叶片固定螺距螺旋桨[8]。飞艇的大部分经典设计方法可以在Burgess参考文献[9]中找到。在表1中，我们提供了飞艇特征参数的例子，其中包括最近提出的数据。
表1.多年来飞艇的特征参数
除了经典的横轴螺旋桨方案外，还有主要由NASA研究的垂直轴螺旋桨配置[10]。 这种特殊类型的重型飞艇（HLA）具有经典的椭圆形椭圆形，除了浮力提升之外，还有四架直升机可以提供额外的起重机。 以这种方式，额外的升降机使系统能够以非常大的重量提升。 包括直升机推进系统具有使用众所周知的技术的附加优势。 该系统还包括一个提供巡航推力的船尾螺旋桨。
2.1飞艇尾部推进
自从飞艇发展初期以来，设想使用船尾螺旋桨来提高螺旋桨的效率。 在理论分析或风洞实验中，大部分处理这个问题的初步工作得到了支持，参见[11,12]。 两种设计方法都得出结论，尾流螺旋桨比常规安装的系统更有效地运行。 实际上，由于系统安装距离生活区更远，所以安装在船尾上的螺旋桨将具有额外的优势，特别是长时间耐力飞行，这与减少噪音有关。 美国宇航局执行风洞实验测试，并得出结论，与使用传统组件甚至鳍式安装螺旋桨相比，船尾安装的螺旋桨将获得更高的效率。 这是最重要的，以确保增加飞艇的范围。
然而，使用船尾安装的螺旋桨对飞艇空气动力学提出了一些惩罚。由于吸力效应，飞艇船体后侧的流量经历了额外的加速。这导致下游方向的吸力产生压力阻力。而且，由于边界层边缘的增加，外壳的总皮肤摩擦力也会增加，尽管与压力阻力相比，该部件是残留的，参见[13]。还要注意的是，这种效果也可以引入积极的结果，即使用船尾安装的螺旋桨来防止边界层分离，只有在非常低的雷诺数[14]。此外，通过在飞艇尾部工作，轴向速度降低，螺旋桨产生一定量推力所需的功率减少，净减少约百分之十。同时，基于非扰动起始流速的螺旋桨效率将会增加。然而，通过匹配严格的边界层轮廓，应该注意螺旋桨是适当地设计在叶片上的局部流入速度，特别是关于船体对进入流动的干扰效应。如果没有充分考虑到这些问题，可能导致螺旋桨叶片分离[15]。
Goldschmied在[16]中提出了一个相关的概念。在这种情况下，船体设计，边界层控制和推进的整合可以产生超过50％的功率增益，与使用船尾螺旋桨的最佳流线型船体相比。当飞艇的攻角有所增加，雷诺数也会增加时，这些涨幅更大。在该提出的系统中，设想通过在飞艇后部抽吸使用反作用推进装置后来排出的近壁空气来控制飞艇周围的边界层。应该注意的是，只有这两个动作的组合才能达到正能量的平衡。因为在替代方案中，当流体被吸入体内时，必须以飞行速度将其泵送到自由流静压，使得它们相对于身体理想地离开飞艇。这通常需要很多的力量，除非它每单位体积的推进力大大减少，否则这是绝对不值得的。但提出的系统也将吸入空气的概念引入飞艇后部的推进效应。这种系统从未建成，风洞实验例外，见[17]。
斯特恩安装的螺旋桨通常不是单独作用，特别是因为它们不具有提供更大机动性的灵活性。 此外，在非常低的速度下，控制表面被认为是有效的，因为它们停止产生动态升力以控制飞艇的姿态。大多数时间倾斜转子作为独立的或与船尾螺旋桨组合是优选的。 飞艇的最新应用领域之一是它们在大气行星体的探索中的应用[18]。其中一个项目被称为AURORA（自主无人驾驶遥控飞艇）。 车辆在有效载荷舱的两侧配备有两个矢量引擎，并且在船尾处设有四个控制面，以X构型排列，参见[19]。
3太阳能飞艇
与使用太阳能的飞艇相比，使用太阳能飞艇的容量比重型飞机更容易实现，因为没有必要利用推进力来建造升降机。 与太阳能重型飞机相关的阻塞点之一与电动推进器与燃气轮机相比具有更大的质量/功率比，后者呈现更有利的1/3马力/功率比[20，21]。 这样，通过在飞艇上使用浮力提升，大大降低了电力预算，容易实现可行性。
（a） （b）
图1 HAA Berkut飞艇的外部辅助气球：海平面（a）和压力高度（b）[22]
3.1一些全球性的项目
有几个国家决定调查太阳能飞艇。 在俄罗斯，HAA Berkut太阳能飞艇设计有三个不同长度和体积的不同信封，每个信封都针对特定任务轮廓，但具有相同的最大直径，见图。 为ATLANT飞艇提出了一种替代的创新理念[22]。 据称，它涉及到空气垫上的运动，飞机，直升机和车辆的最佳特征。 这个概念使用了运动范围广泛的旅行的积极特征，提供承载高负荷能力，加上经济效益和生态友好的能力。
AEREON被认为是一个三裂的气球，产生了大量的动力升力[23]。 为了有效飞行，这包括使用由气翼部分的结构并联连接的3个流线型刚性船体的充气翼型的想法。 氦气将被每个气室下的丙烷燃烧器加热，从而可以在不释放气体或镇流器的情况下飞行。
在[24]中，提出了使用地转飞行概念的飞艇。提出了使用两种替代可能性来制定飞艇轨迹的规划，这取决于如何考虑到温度和压力的空气变化，以及依赖于提升气体在空间和时间上的行为。两种考虑的可能性是：a）提升气体的飞艇体积变化，通过使气球膨胀或放气，使得提升气体的压力随时与周围空气的压力相同。在这种情况下，信封之间没有任何压力。气球必须足够大以适应体积所需的变化，从而净静电提升在轨迹上保持不变。 b）起飞气体在飞行过程中保持恒定。因此，提升气体的密度保持恒定，因此在飞艇的信封上存在着非常大的压力。假设信封能承受压力差，因为净静电提升在轨迹上变化。
以前提到的两种方法是最广泛用于产生电梯的方法。 然而，也有关于使用蒸汽作为提升气体的建议[25]。 据说主要的优点是蒸汽在现场非常便宜，易于生产。 为控制目的，可根据需要自由排气，并可在飞行过程中通过煮沸储存的镇流器进行更换。 一个小的好处是，信封上的结冰不再是一个问题，并且有足够的热可以控制控制表面。 在蒸汽支持的飞艇中，容易改变提升气体的体积及其相应的升力。
与氢气或氦气飞艇相比，蒸汽飞艇的缺点是由于其较高的密度，升力比功率较低。 此外，电梯生产商蒸汽的冷凝水需要不断重新煮沸。 然而，用于提供推进的内燃机的废热可以用于产生用于信封的蒸汽。 然而，预计这个概念只适用于非常大的工艺。 然而，这种方法的主要缺点与不太有效的功率重量比有关。 这种热空气或热飞艇的想法也被认为是具有飞溅形状的翅片和螺旋桨。
除了基于提升水蒸汽的飞艇，还有建议使用加热氦气。 在这个概念中，这个想法是在内部信封中使用它来增加和/或控制总升力[26]。
3.2太阳能发动机的推进系统
轻型空中交通工具（LTA）是许多涉及长时间机载存在的应用程序的独特而有希望的平台。 由于它们通过浮力实现了升力，所以这些车辆比传统飞机需要的功率要少得多。 这为可再生能源打开了大门，这将使得控制飞行几乎无限期地保持下去。 太阳是飞艇的主要动力源，太阳能阵列是将这种能量转化为可用形式的手段[27]。
作为一个例子，我们可以引用一个由Mylarcopy;稀松布材料制成的气球，它的概念是一艘飞艇从一个经典气球悬挂起来的飞艇，[28] - 缆车及其连接的推进系统是自由旋转的，允许轮流 因此，推进装置可以被定向到相对风中。 连接到推进系统的控制表面强制朝向风流的方向。气球高度控制通过排气和/或下降镇流器来进行。
然而，对于太阳能飞艇，电力子系统仍然是整体推进系统总重量的重要部分。 因此，除了减少电池和太阳能电池重量的其他原因之外，非常希望最小化推进功率要求。 还希望使用通过最小化开发给定推力所需的功率来提供更好的效率的低盘装载螺旋桨（即大直径，类似于悬停的直升机转子的缓慢旋转的推进器）。 通常，我们可以在初步评估中，根据从制表数据获得的已知实验拖拉系数，设计经典成型气球的推力要求。
另一种太阳能飞艇基于非刚性膨胀椭圆形椭圆形。 在这种情况下，更经典的椭圆形状只有在巡航高度完全充气时才可见。 在较低的高度，它被放气，并且仅识别鼻子的球形部分。 在一些概念中，推进系统包括连接到电动机的船尾安装的螺旋桨。
这种飞艇的通货膨胀和发射以类似于发射古典气球的方式完成。在垂直上升期间，浮力中心高于重心，提供了稳定的布置。 在飞
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