1、美国HALE-D平流层飞艇  2011年7月27日，美国军方和洛克希德?马丁公司在俄亥俄州实施了HALE-D平流层验证艇（图3）的首航试飞，这是处于平流层飞艇研究领域世界领先地位的美国所进行的最新实验。HALE-D平流层验证艇采用典型的软式飞艇原理，其设计技术指标是：直径约21米，体积约1.8万立方米，携带约22千克的摄像机和通信转发器，可到达18-21千米的平流层高度并停留10-14天。这艘耗资巨大的平流层验证艇试飞结果是：当HALE-D平流层验证艇升高到约9.7千米的高度时，它的囊体就超过了承压极限而破裂，于是飞艇失浮下沉。由于其仅有10KW功率的小电动螺旋桨难以驱动体积庞大、因失压而变形的艇体，故该艇连飘带降随风位移了100多公里后坠落到宾夕法尼亚州的森林里，未能达到预期的试验目标。HALE-D验证艇1.8万立方米的体积显然很巨大了，但它仍只是美国“HAA高空飞艇”项目的缩比小艇而已。事实上，HAA高空飞艇项目在几年前就已经被终止了，终止原因是专家和用户们有足够的理由怀疑“该飞艇是否实用？”和“平流层飞艇的关键技术能否突破？”。

图3  美国HALE-D平流层飞艇 2、日本“同温层平台”平流层飞艇  日本宇宙开发事业团等机构投入巨资联合开发的“同温层平台”平流层飞艇（图4），2003年8月实施了一次检验升空高度极限的试验。该飞艇的设计技术指标是：艇长约47米，直径约12 米，体积3566立方米，起飞重量约500 千克，设计升限16千米。“同温层平台”平流层飞艇采用类似施放高空气球的方法，利用净静浮力自由飘浮升空。据报该艇上升30分钟后曾到达16.4千米高空， 其囊体在此高度因超过了承压极限而破裂。和高空气球伞降回收的情形一样，该艇自由坠落下沉的过程是不可控的， 随风飘降到海滨小城日立市附近海域低空，伞降到海面打捞回收。从实验表现和结果来看，日本“同温层平台”平流层飞艇实质上仍只是一种外观呈飞艇状的高空气球，没有动力而不可操纵，只能随风飘荡，更不能操纵下降返回地面指定位置。因此，该浮空器显然与人们愿景中的平流层飞艇相去太远。

图4  日本“同温层平台”平流层飞艇 3、螺旋桨动力平流层双气球飞艇  2011年10月，美国JP航宇公司在内华达州施放了一个悬挂着电动螺旋桨的气球组（图5），这个名为坦德姆(Tandem)的双气球飞艇能够浮升到约3万米的高空。坦德姆双气球飞艇构造是将两个普通高空气球分别固定在碳纤吊架的两端，利用两个安装在碳纤吊架上的电动机驱动螺旋桨，在无风或微风的环境中，螺旋桨可以带动两个气球沿水平向缓慢位移或左右旋转。当双气球飞艇浮升到其气球承压能力极限的高度时，一个气球自行爆炸泄气，另一个气球则人工遥控放气。地面人员借助艇上的5个降落伞，把双气球飞艇的仪器设备伞降回到地面。然后，根据仪器设备接地后信标发出的位置信号，将它们寻回。高空气球是轻于空气浮空器的一种，它们一般都能浮升到数万米以上的临近空间中下层。气球与飞艇的区别，主要在于飞艇可以操纵而气球难于操纵。这是因为虽然气球、飞艇两者的体积都较为庞大，但飞艇艇囊流线形的减阻设计使它的迎风阻力显著降低，而且飞艇艇囊还具备一定的动升力，这就使得飞艇能够借助驱动装置实施飞行控制。相比之下，球形物体的阻力系数相对很大，而球体微小的动升力也几乎可以忽略不计。因此，即使给气球配上驱动装置，其效率也会很低，在风速较大或流速多变的环境中几乎无法操纵。

图5  螺旋桨动力平流层双气球飞艇 4、升浮一体混合飞艇  100多年前，人们就提出过各种利用机翼来增加飞艇升力的“升浮一体混合飞艇”方案，例如建于1903年的Santos-Dumont飞艇，就是采用了这种结构。这类结构的飞艇（图6）重于空气，理论上，其所配置的机翼或其他升力装置能够帮助飞艇获得额外的升力，因此可以看作是飞机和飞艇的结合体。历史上诸多类似实验表明，升浮一体混合飞艇工作效率很低，集中了飞艇和飞机的缺点而损失了两者的优点，因为：重于空气的升浮一体混合飞艇必须依靠于引擎的动力才能保持在空中的升力，起飞和降落都需要相对较快的速度。由于飞艇的功耗与其相对空气速度的三次方成正比，高速飞行正是飞艇的弱项；飞机的升力则与速度的平方成正比，低速飞行时机翼将不能提供足够的升力。简单说来就是飞艇要慢而飞机要快，才能发挥各自的长处，升浮一体混合飞艇显然无法解决这个致命的矛盾。充满大量气体的艇体不能像飞机那样方便和易于操作，升浮一体混合飞艇也不可能像飞机那样在跑道上高速滑行起飞。此外，如何解决柔弱的艇体在高速着陆时需应对的巨大撞击力问题也不容易，对付着陆撞击力的坚固结构给飞艇带来的重量，是飞艇无法承受的。升浮一体混合飞艇的机翼不能做得很大，故其产生的升力会比较集中，因此升浮一体混合飞艇必须具备更强的结构来支撑这个力。由此而增加的构架、燃料、发动机及相关操作装置等的重量，将会超过由机翼产生的升力。显而易见，升浮一体混合飞艇方案并不适用于平流层飞艇。

图6  升浮一体混合飞艇 5、变轴长可折叠飞艇  2006年10月27日，美国一个民间航空爱好者团体首次试飞了他们创造的“变轴长可折叠飞艇”（图 7），该飞艇有两个特征：一是采用了雨伞状可折叠的艇囊结构，二是利用“给定表面积的几何体中，球形容积最大”这一数学原理，通过拉长或缩短艇囊的“变轴 长”方法来改变艇囊容积，以期能够增加或减少飞艇浮力，使它上升到平流层的高度。该艇是热气飞艇，艇载液化石油气燃烧产生的热气从艇体下部的开口进入艇囊，加热囊内空气，使囊内空气密度低于艇囊外部空气而获得浮力升空，基本原理与人们常见的热气球类似。该飞艇长31米，最大直径21米，最大重量1860千克，巡航速度16千米/小时，汽油发动机驱动螺旋桨推进，巡航时的艇囊容积为5805立方米。不飞行时，其艇囊可以折小到42立方米。该飞艇艇囊结构由三部分构成：织物蒙皮；镶入织物里的柔性骨肋；贯穿艇体中心轴的张力线。艇囊的关键技巧是一个典型的“张拉结构”，在艇囊里的骨肋处于压缩下，织物蒙皮和张力线处于相反的张力下。张力结构的原理广泛应用了一个多世纪，最普遍的例子就是人们日常生活中所用的折叠伞。将表面积一定的球体拉长或缩短，其容积最多只能有约2.5倍的变化，而地面与数万米高度的平流层却有数十倍的空气密度差，因此将该艇折叠伞式的“张拉结构”用于平流层飞艇并没有明显增益，其“变轴长”的折叠结构给飞艇增加的重量，将会抵消热气飞艇容积增大所获得的浮力。
 
图7  变轴长可折叠飞艇 6、可折叠/展开平流层飞艇   可折叠/展开平流层飞艇方案由美国约翰?霍普金斯大学提出，称为HARVe飞艇（图8）。HARVe飞艇的研究目标，是探索低成本平流层飞艇的科学理论和技术方法。该飞艇要求能够折叠放入巡航导弹中，巡航导弹则由潜艇承载并从海下发射升上18.3-30.5千米高度的平流层。到预定高度后，导弹解体释放出HARVe飞艇执行预定任务。该飞艇的研究团队认为HARVe具有极大的潜在军事应用价值，是保卫国土安全和满足国土全地域无缝隙侦察的理想平台。方案中的HARVe飞艇是一次性的，不能操纵返回地面故不能重复使用。在平流层巡航约30天后， HARVe飞艇会自行解体或用其他方法将其摧毁。业内认为，如果计入导弹、潜艇承载与发射等的费用，HARVe飞艇的总体运行成本其实并不低。2005年7月，约翰?霍普金斯大学的研究团队曾制造了一艘艇长为5.18米的常规软式飞艇模型，来作为HARVe飞艇的实验平台。

图8  可折叠/展开平流层飞艇



图9 德国ANWIRE公司为美国军方研制的侦查飞艇 ● 无论上述这些形形色色的平流层飞艇结局如何，人们开拓临近空间航空新纪元的不懈努力，都是令人钦佩的。平流层飞艇无疑具有如同莱特兄弟发明飞机那样的开创性，在科学理论创新、不同大气环境中运行对系统构造的特殊要求、工程材料综合运用与工艺技术、极端大气环境对飞行器影响的对策与解决方案、飞控方法和操纵技术等诸多方面，都面临着巨大的困难和挑战。如果平流层飞艇能够实现，将是人类科技探索前所未有的重大突破。谁将是临近空间的拓荒者？我们不妨拭目以待。