1. 浮升混合飞行器
现阶段人类航空飞行器大致可以分为以固定翼飞机和直升机为代表的重于空气的飞行器（Heavier-Than-Air，HTA）和以热气球和飞艇为代表的轻于空气的飞行器(Lighter-Than-Air，LTA)。近年来，随着国民经济和国家军事需求的增长，以及航空航天、材料科学和新型能源技术的发展，飞行器逐渐向种类多样化、空天一体化转变。对于HTA飞行器，先后出现了固定翼和直升机混合的倾转旋翼机以及利用推力矢量完成垂直起降直接力控制的新型作战飞机等；对于LTA飞行器，一方面利用新型能源实现临近空间长时间驻留的高空飞艇成为国内外研究热点，另一方面通过将HTA飞行器与LTA飞行器混合，设计而成的升浮混合式飞行器（Hybrid-Air-Vehicles，HAV）也成为近年来研究的热点，如图1所示。
图1 典型航空飞行器的分类
混合飞行器是指同时由静浮力和气动升力同时提供升力的飞行器。从20世纪60年代以来，根据HTA飞行器和LTA飞行器混合设计的方式不同，先后出现了艇翼式（如图2所示美国俄亥俄飞艇公司的Dynalifter）、升力体式（如图3所示美国洛克希德马丁公司的P-791）以及多旋翼式（如图4所示美国Skyhook国际公司提出，并由波音公司负责研发的JHL-40旋翼起重机）等新型飞行器。
图2 美国俄亥俄飞艇公司Dynalifter概念方案
图3 美国洛克希德·马丁公司P-791混合飞艇
图4 波音公司研发的Skyhook JHL-40旋翼起重机
传统式飞艇，无论是硬式、半硬式还是软式，都仅依靠浮力气体产生升力，依靠动力推进系统产生的推力来克服空气阻力，依靠艇载功能系统和舵面操纵实现空中机动及巡航飞行。但由于艇囊体积巨大，可操纵性和抗风能力相对较差。目前世界很多国家都在设计的浮升混合飞行器，克服了飞艇上述的缺点，同时发挥其留空时间长而耗能少的优点，因此，混合飞行器非常适合用于情报侦察、搜集及中继传输等工作。最为代表性的有诺斯罗普·格鲁门公司负责研制的美国陆军长航时多情报飞行器（Long EnduranceMulti-intelligence Vehicle，LEMV）。
虽然混合式飞艇是指既有空气动力又有静浮力的复合升力的飞行器，但在某种程度上，混合式飞艇特指净浮力比率不大于0.8的飞艇，采用该种布局型式的飞艇可由升力气体产生的净浮力和由速度产生的动升力来共同平衡自身重量进行飞行，如图5所示，可以在较小体积的情况下增大装载量。虽然美国军方目前对混合飞行器的兴趣主要集中在情报、监视与侦察平台上，但是根据相关技术论证，浮升混合飞行器在军事方面，还可以开发用于战区内或者战区间运输装备、补给或者人员。民用方面，浮升混合飞行器也将可能是大型货物空运的首选设计。英国Boyd Robert R 对混合式布局飞行器的性能进行了研究，得出混合式飞艇每吨千米的运输成本比一般飞行器少60%，并且不加油就能在空中续航数天。根据波音公司2009年关于2010-2011世界航空货物运输市场预测统计数据，未来20年世界航空运输投入将有较大的增长，如图6所示。
图5 升力体式浮升混合飞行器升力产生原理
图6 波音公司关于世界航空运输预测
图7为洛克希德·马丁公司对浮升混合飞行器载重运输能力的评估。从图中可以看出，混合飞行器交付货物要比船舶迅速，但没有传统飞机快。相对于传统的飞机或船舶具有的平均吞吐能力，混合飞行器的平均吞吐能力将取决于其有效载荷。有研究建议设计有效载荷为500吨至1000吨的更大混合飞行器，它们具有的吞吐能力将比当今飞机的要大的多。另外，浮升混合飞艇可设计成垂直起降或者短距起降，对固定地面设施的依赖程度更小，可应用于针对边缘山区的设备、能源、贸易物品等的运输，或应急救灾过程中的货物运输，从而实现建立点对点之间的空中运输路线。表1为传统静浮力飞艇与混合飞行器之间对比。
| 对比项目 | 传统飞艇 | 浮升混合飞行器 | 浮升混合飞行器突破点 |
| 浮空特点 | 轻于空气 | 重于空气 | 略重于空气 |
| 升力组成 | 静升力 | 静升力/动升力组合 | 引入动升力 |
| 有效载荷 | 1t~10t | 5t~50t~500t级 | 动力系统与气动部件承担部分垂直升力 |
| 航程 | 跨洋飞行 | 5000~>10000km | 载荷的增大使得艇载更多燃油 |
| 飞行速度 | 100~150km/h | 150~300km/h | 更强的动力系统及飞行阻力的减小使之向直升机速度靠近???? |
| 操控性 | 一般 | 较好 | 部分动力参与飞艇的操控 |
| 运行程序 | 点→陆运→基地→陆运→点 | 点→点 | 实现“点-点”运输 |
| 安全性 | 抗风能力差 | 实用的抗风能力 | 强动力系统组合提高飞艇抗风能力 |
| 维护性 | 需系留塔、大艇库、地面人员牵引气/降 | 无需系留塔、艇库，可独立操控起降，无须地面人员牵引 | 强动力系统组合与气垫着陆技术根本上改革传统飞艇维护性 |
| 机动性 | 不能独立操控 | 独立操控 | 强动力系统组合改进其独立操控下的机动性 |
| 耗能 | 仅用于推进飞行 | 用于部分升力和推力 | 比飞机、直升机大大节能 |
对于简单的艇翼式、升力体式或者多旋翼式升浮混合飞行器，虽然有着诸多优势，但是同时也存在着其运行所特有的问题需要解决。首先，由于混合飞行器很大一部分升力来自于轻于空气的浮升气体，所以体积大是其外形的一个显著特点，特别是用于大型货物载重运输。对于侧风引起的力矩，需要安装较大面积的尾翼及舵面平衡相应的力矩，并且对舵面操作需要有较快的控制响应，由此带来结构强度及控制响应要求的提高。其次，混合飞行器地面的锚泊受浮升气体管理、结构设计和地面操作的直接影响。人们在总结传统飞艇锚泊经验的基础上提出了移动锚泊系统和固定锚泊系统以及低速控制技术。设备和控制技术的改进可以有效地简化锚泊的过程，降低操作的难度，但是还是会有问题出现，特别是用于大型货物载重运输。由于飞行器外形基本不变，所以其能提供的升力也同样保持不变，在单程运输到目的地后，要有相应的等量压舱物作为有效载荷的补充。因此，随着矢量推进技术逐渐进入人们的视野，现代浮升混合飞行器考虑增加多个矢量推进与操纵舵面同时作为操纵机构，实现对其的直接力控制（DFC）。
2 国内外研究现状
随着航空技术、材料技术的发展以及在60年代发生的世界性石油危机，人们又开始转向消耗能源较少的飞艇，并利用新科技研制新型飞艇，充分考虑飞艇滞空时间长、耗油量较少等优点，用于海上巡逻、信息搜集等军事目的以及广告、旅游观光等商业目的。随着研究的深入，研究者逐渐开始深入研究飞艇的一些关键问题：如何在卸载后使飞艇增重以保持平衡？如何保证艇身的强度和刚度以及悬停时的控制？如何保证在各种气候条件下起飞降落的安全等。为了解决这些问题，美、德、俄罗斯和日本等国先后提出了吸取HTA飞行器的特点，设计出HTA和LTA的混合式飞艇（飞行器）。浮升混合式飞艇并不是传统意义上的飞艇，它将传统飞艇和固定翼飞机、直升机的优点组合起来，即将动力飞行器和静力飞行器的优点组合在一起，以求发挥长时驻空、重型装载以及有效可控等优势。
对于浮升混合飞行器（飞艇）的研究，美国先后提出了“海象”（Walrus）计划和长航时多情报飞行器（Long EnduranceMulti-intelligence Vehicle，LEMV）的计划，英国和德国分别提出了“SkyCat”计划和“货物起重机”计划。对于我国和其他国家也在加紧这方面的研究工作。
2.1 美国LEMV计划
2009年美国陆军空间和导弹防御司令部(ASMDC)提出要发展一种在2012年初能部署在阿富汗的长航时多情报飞行器（LEMV）的计划，要求这种飞行器能使用6800~9000千克的燃料在监视任务中飞行3~4周，每架飞行器的价格只是20000~25000美元，而完成同样的任务相当于需要12架MQ–9“收割者”级的固定翼无人机及其操作人员。根据军方要求，LEMV的任务就是对大面积区域保持连续的监测，将相关的视频、雷达和信号情报数据传送到地面的旅一级的战斗部队。由于军方也表示出对浮升混合飞行器运送大量货物有较大兴趣，所以还要求飞行器能够经过很小的修改后，在携带传感器和长航时油箱载荷的同时，还能运送20吨货物。2010年7月14日，诺斯罗普·格鲁门公司战胜了其竞争对手洛克希德·马丁公司，与ASMDC签订了价值1.54亿~5.17亿美元的LEMV的研制协议。
基于诺斯罗普·格鲁门公司的开放式体系结构设计，飞行器平台由英国Hybrid Air Vehicles公司(HAV)的HAV3基础上研制而成的浮升混合飞行器，如图8所示。飞行器利用3种不同的技术以产生升力：一是利用浮空器中轻于空气的氦气提供的浮力(提供约60%的升力)；二是利用机翼产生的升力(提供约40%的升力)；三是发动机矢量推进技术。迄今，HAV3已经进行了60-70次试飞，其尺寸约为LEMV的1/6，其技术参数如表2所示。
图8LEMV缩比验证艇试飞
表2 LEMV飞艇主要技术指标
项目 | 飞行高度/m | 续航时间/天 | 巡航速度/(km/h) | 最大飞行速度/(km/h) | 提供功率/kw | 作战半径/km | 有效载重/kg |
指标 | 6069 | 21 | 55 | 148 | 16 | 3200 | 1130 |
飞艇飞行中用的动力则来自安装在飞艇两侧的前后的4个涵道推进器，因而飞艇的速度和航向比传统飞艇飞行器更容易操作。此外，因为混合飞艇要比空气重，所以在起飞和降落过程中也要使用4个涵道推进器的矢量推力。另外，诺斯罗普·格鲁门公司借助于它在开发无人机领域的专门技能，使飞艇能自主飞行，包括起飞和着陆，起飞跑道长度将小于300米（1000英尺），为使飞艇能使用简陋的跑道，装在气囊下的着陆橇可以更换，动力将来自4台蒂勒尔特公司（Thielert）的圣特尔（Centurion）涡轮柴油发动机。
根据最新消息，由于阿富汗战争已经结束，LEMV的合同任务已无法顺利完成，因此美国陆军取消了LEMV的订货合同，并将飞艇进行封存处理；不过英国Skycat公司、混合动力公司等多家企业正在申请将该飞艇解封，并引入到英国，诺格公司也正在申请LEMV进一步的飞行验证。
2.2 美国“海象”计划
2005年8月26日，美国防高级研究计划局（DARPA）分别授予洛克希德·马丁公司和飞行航空系统公司（AerosAeronautical Systems）“海象”（Walrus）项目第一阶段合同，以评估大型空运浮升混合飞行器概念。两家公司的合同金额分别约为290万美元和320万美元。这种新型飞艇能够在3～4天内运送1800名士兵或500多吨武器装备，到达世界上任何地点，实现洲际距离快速运输能力，行程超过11000千米。其500～1000吨的设计运输能力将远远超过美军现役C－130“大力士”军事运输机22吨的运输能力，而且不需要任何基础设施，如所示。
图9“海象”计划飞行器设想图
“海象”计划所研制飞行器可在空中和地面操作的任何阶段控制其升力，包括在卸下有效载荷时不需要加载除周围空气之外的压舱物。与第一代飞艇相比，“海象”将是一种重于空气的飞艇，并通过综合运用空气动力学、推力矢量和空气浮力的产生与管理产生升力。
洛克希德·马丁公司先进发展工程部（臭鼬工程部）早在十年之前就开始秘密启动混合大型飞艇的研制项目，并制造出P-791的原型机，于2006年1月31日进行了首飞，成功地完成绕场一周为时5分钟的飞行。P-791将三个加压的圆形充气的升力体并列成一个大的升力体，就像把三个小飞艇连在一起一样以获得气动升力。P791在尾部和艇身前部两侧共有四个矢量推进螺旋桨，不仅可以提供偏航飞行的矢量推力，而且对于高空悬停以及低空进场着落控制也起到至关重要的作用。
2.3 英国SkyCat混合飞艇
英国先进技术集团（ATG）公司正在进行军用运输飞艇的研制，并为了研发浮升混合飞艇而成立了WorldSkyCat公司。据英国国防部代表称，军方最感兴趣的飞艇方案是有效载荷为1000吨的“SkyCat”1000。该飞艇巡航飞行速度每小时240千米，实用升限1200米，最远飞行距离8000千米。飞艇长307米，宽136米，高77米，如图10所示。该飞艇的艇体将采用侧面相连共用气囊的双体式结构，类似于双体式水上飞机，该布局可使飞艇在巡航飞行时产生较大的升力，从而可相应减小飞艇的体积。该飞艇的动力装置计划采用4台涡桨发动机，其中两台为巡航主发动机，一台用于上升，另一台用于装卸货物时机动飞行。
该飞艇的载货隔舱（总面积995平方米）的体积可运载几乎所有的武器和技术装备，如16辆M1主战坦克，或AH-64等直升机。为此，需要在飞艇上安装保障武器和技术装备装卸的专门设备，如空中悬停装置，以及在没有准备的场地（深雪地、沼泽地）和水中实施降落的设备。ATG提出的技术概念与其他提议大为不同，它的SkyCat是飞艇、旋翼机和飞机的统一体。60%的升力来自于充满氦气的球体浮力，40%将是靠空气动力学产生。飞艇着陆不需要地面设备，可在任何地方着陆，甚至用气垫可在水面降落。
另外，World SkyCat公司对此类型飞行器根据不同的应用对象构想出用于监测/边境控制的SkyPatrol型号、用于紧急救援的SkyLift型号、用于消防的FireCat型号以及Skyliner、SkyShuttle、SkyFerry等数十种型号的浮升混合飞行器。
2.4 美国Skyhook JHL-40混合飞艇
2008年由美国Skyhook国际公司提出、由波音公司负责研发的新款SkyhookJHL-40飞艇，是一款用于货运的旋翼式浮升混合飞行器，如图11所示。“JHL”即为“JointHeavy Lifter”的缩写，意为联合起重机。“JHL-40”即表示最大起重重量为40吨。
由于现今对于远距离运输载重的限制，首先修建公路会影响环境同时也耗费巨大的资金，且这对于很多恶劣的地形并不能实现。对于飞艇而言，有些复杂的地形并不能达到，而运输飞机则对天气要求严格并且需要很长的跑道，直升机可以到达这些伏在地形，但是并不能承载很大的载荷。Skyhook结合了直升机旋翼与飞艇浮力平衡的综合性能，可以实现大载荷和复杂地形运输的要求。
Skyhook公司对其市场需求设定主要是石油开采、建筑业、采矿业，计划于2014年首飞。
图11Skyhook JHL-40构想图
JHL-40旋翼式起重飞机长90米、宽65米、高35米，一共装备有8台发动机，使用其中4台功率大的发动机（波音234旋翼）为主推进器，主要用于升降和前进；每个主推进器下还有1个小的推进器，用于方向控制，如图12所示。飞艇不载货时的总重（飞艇自身重量、机组人员及燃料载重）几乎全部由浮力提供，达到浮力平衡，螺旋桨提供对货物的提升。通过使用氦气与旋翼直升机，飞艇能够避免在未装载下排出氦气。JHL-40耗油率低，可起重达40吨的吊挂负荷，在不受任何外界环境影响的情况下，可以以70海里/小时的速度满载飞行322km而不用加油，在未装载的情况下可以飞行1300km。
2.5Aeroscraft运输浮空器
Aeroscraft运输浮空器由美国Aeros航空公司研制，原型机（如图13所示）已开展垂直起降和短时滑行试验，即将首飞。目标艇载重66吨，飞行高度5500米，飞行速度222公里/小时，航程近6000公里。具有矢量推进，气垫支撑，具备垂直起降能力。
Aeroscraft运输浮空器由轻质高强结构和巨型气囊组成。它依靠空气动力、推力矢量、气体浮力三者产生的“合力”来实现空中飞行。运输浮空器的巨型气囊中充满氦气，提供70％的飞行升力，剩下的30％由浮空器的侧翼提供。
Aeroscraft运输浮空器基本不需要基础设施的支持，操作费用和维护费用相对低廉，经济好；这种运输浮空器的适应性很强，在整个寿命期内，可以经受住各种不利的天气条件的考验。垂直起降能力让其在着陆或起飞时无需受有无跑道等降落设施的限制，可以停在相对平坦开阔场地。这款运输浮空器解决了传统运输浮空器的多种问题，如传统运输浮空器需要地勤人员和系留设备，以及易受天气影响等。
图13Aeroscraft运输浮空器概念图
图14Aeroscraft运输浮空器原型机
2.6Dynalifter浮升混合飞行器
Dynalifter运输浮空器（如图15所示）由美国俄亥俄运输浮空器公司研制，是一种新型超大航空器，兼具运输浮空器、飞机的特征，有运输浮空器的重量轻、载荷大的优点，又具有飞机稳定的操控性能。目标艇载重225吨，飞行速度370公里/小时，航程6475公里。其特点是利用机翼产生升力，滑跑起飞降落、燃油消耗率低。
Dynalifter运输浮空器通过气囊内的氦气所获得的净浮力来克服重力，利用发动机提供的动力来克服空气阻力；在起飞过程中，运输浮空器通过氦气提供的静升力和跑道上加速获得的动升力共同作用来克服自身重力。视情况不同，氦气能够提供30%到80%的升力。
图15Dynalifter运输浮空器
现代浮升混合飞行器由于体积大，受气流与天气影响较大，特别是定点悬停的过程中几乎没有速度，稳定性与操纵性与常规飞行器大不相同。另外，用于大型载重运输的浮升混合飞行器在投放大吨位的载荷后，会产生很大的上升加速度，飞机高度上升很快，期间气体快速膨胀也会使其姿态发生不可预料的变化，因此需要研究浮升混合飞行器飞行模式转换过程中的主动控制技术。
我国幅员辽阔，地域条件复杂，随着近年来低空领域开放的趋势越来越明显，对于大尺寸浮升混合飞行器，我国存在紧迫的军事和民用需求，但截至目前还没有国家级的研究计划，多个科研单位前期开展了相关论证和概念研究工作，但整体而言技术基础较为薄弱，迫切需要展开立项和技术攻关工作。
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作者简介：孟军辉，现为北京航空航天大学航空科学与工程学院在站博士后，目前主要研究方向为浮空器总体设计，柔性纤维复合材料力学性能分析。
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