濒临淘汰的飞艇，满载惊喜而归

濒临淘汰的飞艇，满载惊喜而归

Olivier Doaré

法国国立高等先进技术大学（巴黎综合理工大学）流体力学教授

Robin Le Mestre

法国国立高等先进技术大学（巴黎综合理工大学）流体与固体力学博士

Jean-Sébastien Schotté

法国航空航天研究院（ONERA）研究员

飞艇诞生于19世纪末，由于旧时代技术的落后，飞艇在一场惨痛的空难之后逐渐退出历史舞台。纵然飞艇在安全性、控制性中具有很大的缺点，但其仍然拥有不容置疑的优势。百年来，随着技术和材料发展的突飞猛进，飞艇是否能再次出现在大众的视野？需要克服什么样的风险和难题？未来飞艇又将在哪些领域大放异彩?

• 飞艇与其他交通工具相比具有不可否认的优势，有望重返历史舞台。

• 由于飞艇太轻，容易受到危险和恶劣天气的影响，因此必须开发更精确的天气预测和飞行控制技术。

• 计算机模拟、坚固的新材料、风力预测工具等新材料的出现，使得新型飞艇成为可能。

• 飞艇不会取代大规模的传统航空运输，但可以在旅游业或短途运输中发挥作用。

• 法国飞艇公司Flying Whales（飞鲸）和法国泰雷兹集团等几家企业对开发新型飞艇有着浓厚兴趣。

飞艇通常被认为是旧时代的技术。当它们在19世纪末问世时，在全球引发了轰动：利用巨大气球的浮力，飞艇可以以超过130公里/小时的速度飞行，不到60小时就能横跨大西洋。

但飞艇最终却是在一场惨痛的悲剧中淡出历史舞台：1937年，美国新泽西州上空，兴登堡号巨型飞艇（长度与埃菲尔铁塔高度相当）发生事故，熊熊燃烧并坠毁。这场事故的惨烈程度即使在今天依旧令人痛心。尽管如此，飞艇仍然拥有不容置疑的优势，这次事故也并没有影响人们对它们性能卓越的评价。

在法国国立高等先进技术大学（ENSTA）流体力学教授Olivier Doaré指导、博士生Robin Le Mestre撰写的一份论文中，模拟了外部和内部气流对飞艇飞行的影响[1]。该课题有望促进飞艇的复兴。Doaré指出：“灾难早在一个世纪前就已结束，百年来技术突飞猛进。”

01

易受风力影响的飞艇

兴登堡号给气球充的是氢气，一种高度易燃的气体。设计飞船的德国工程师为什么不使用安全、不易燃、广受推崇的氦气？这是由于当时的地缘政治背景：美国希望在氦气技术上保持领先地位，垄断了氦气市场，故德国制造的兴登堡号只得选用了氢气。

Doaré解释道：“如今，出于安全考虑，绝大多数飞艇都使用氦气充气，尽管同体积氦气提供的浮力不如氢气。”然而，氢燃料飞艇的想法并没有被完全放弃，Le Mestre建议：“在燃料电池提供电力推进的情况下，氢可以同时作为载气和燃料。”

图片来源：PI France - 兴登堡号灾难

使用这两种气体是因为它们比空气轻。Le Mestre解释道：“根据阿基米德浮力原理，飞艇充了密度比空气轻的气体，不需要任何能量就能悬浮在空中。这在当前提倡低碳环保的大背景下是一个相当大的优势。但飞艇为保持轻盈，机械原件不能有太多的保护层，暴露在变幻莫测的大气中，这也是一种局限性。”

因此，如果想要让飞艇重返历史舞台，必须充分掌握并克服相关气象风险。Le Mestre表示：“这就是我论文的主要内容。新型飞艇必须有更精确的预测和控制手段，才能更好地抵御风力作用。”

这篇论文引起了法国航空航天研究院（ONERA）的注意。该院的研究员Jean-Sébastien Schotté协助ENSTA团队开发了气象预测工具。据Schotté介绍：“对飞艇的可变形结构和周围气体流动之间的耦合进行更好的建模，就能更准确地模拟飞艇遭遇阵风等气象状况时的实际飞行路径，有助于未来飞艇的设计和建造。”

02

飞艇的复兴有赖于先进轨迹预测技术

如今不仅数字模拟技术突飞猛进，材料设计也日新月异。Schotté说：“现代材料更耐磨、更防水，而且更轻。” Doaré说：“如今的风力预测工具种类多样，非常有效。”一个例子是激光雷达技术，可用于风力预测，目前已安装在风力发电厂里，优化发电控制。这种技术也可用于飞艇。“然而，为了预测飞艇的实际轨迹，保证安全，还必须考虑风力之外的诸多环境因素。即使使用当下最新的技术手段，也很难在计算机上完美地模拟飞艇的飞行轨迹。”

纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程是流体力学的基本方程。它能描述最复杂的流体运动，包括飞艇所处的大气环境。但是N-S方程过于繁琐，不适合完整模拟飞艇等大型柔性结构的飞行。Le Mestre解释道：“因此，课题的第一步是简化纳维-斯托克斯方程，只保留其最基本的元素。我们对所研究的每一对相互作用都提出了假设，推导出多个合理简化的N-S方程，这样就能通过数学运算符对系统进行数字建模。”

“根据阿基米德浮力原理，飞艇不需要任何能量就能悬浮在空中。”

利用上述简化思路，研究者们成功地对飞艇的飞行进行了建模，模型既准确，又支持快速计算。未来，工程师们希望以此模型为基础改良飞艇控制系统，更灵敏地响应实际外部环境。Doaré说：“传统飞机质量大，发动机的动力也大，如果飞行员想左拐，无论风向如何，他都能控制飞机向左飞。”飞艇恰恰相反：轻飘飘，发动机动力小，所以控制系统的优化必须考虑风力作用。

Le Mestre的课题还在继续，未来希望帮助制造商开发基于实时风力数据的飞行轨道控制预测工具，升级飞艇设计。

03

飞艇有望在特定场景发挥作用

体积太大是飞艇的一个缺点。飞艇分软式（气球无骨架）和硬式（气球有骨架）两种。软式虽没有安全优势，但相对载重量大。然而与飞机相比，要运送相同数量的乘客或货物，飞艇的体积仍大太多。Doaré承认：“我个人不认为飞艇会取代飞机。首先是因为庞大的航空业难以轻易颠覆，其次是因为飞艇结构尺寸的缺点。”

事实上，如今的机场仅仅是起降飞机就已经够占空间。专为飞艇建设的机场所需的空间将大得离谱。飞艇客运只适合在小范围内开展，在特定场景中发挥优势。Le Mestre 说：“在旅游业中，飞艇可以成为类似热气球的游览项目。”在交通业中，飞艇可以应用于短途运输。世界各地有许多没机场的岛屿，飞艇也能派上用途。

小知识：浮空器大家族

飞艇、热气球、系留气球都属于浮空器。后两种装置使用的技术与飞艇类似。ENSTA论文的结果同样适用于它们。

系留气球可执行观测任务。例如军事侦察、生态地形勘探或简单的渔业监控，也可用于通讯。更重要的是，气球放气后可以轻松地折叠收纳，很适合在敏感地区快速运输部署。

在恶劣天气下精准控制飞艇的飞行，并准确预测飞行轨迹，能增加飞艇在空中的稳定性。结合其低能耗的优势，浮空器即使面对竞争对手无人机也能有一拼。

Le Mestre说：“新型浮空器技术并不是要取代大规模的航空运输，但它有许多优势，可以在特定领域大放光彩。虽然刚才说飞艇相对载重量小，但也能运载几十吨的货物。”在一些对运输时间长短不敏感的行业，飞艇可以有用武之地。

图片来源：飞鲸公司 - 飞艇效果图

目前法国的飞鲸公司对ENSTA的课题表示出了兴趣。Le Mestre补充道：“该公司想在几年内开发出一种新型飞艇，用于在山区森林等人迹罕至的地区运输货物。”用飞艇往返偏远森林运输木材比用直升机更高效，因为直升机的载货量小，成本也更昂贵。

法国航空航天研究院还与法国泰雷兹集团合作，启动了Stratobus项目[2]，开发能在平流层飞行的飞艇，在监视、通信和国防方面开展与卫星互补的任务。可见，飞艇领域研发活动非常活跃，飞艇技术即将迎来新的未来！

作者

Pablo Andres

Meister Xia

1. Le mestre, R. Modélisation des effets de fluides externes et internes sur le comportement dynamique des dirigeables flexibles. (Institut polytechnique de Paris, 2022).

2. https://www.onera.fr/fr/actualites/ballons-se-diriger-vers-une-solution-pleine-d-avantages