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空气密度只有海平面的1/40了

来源:未知  发布时间:2018-02-23 02:36

  日曾在“前沿动态”栏目里登载了《美国临近空间飞行器技术发展概述》一文。六年时间过去了,临近空间飞行器有了长足的发展,特别是中国“圆梦号”平流层飞艇在年试飞成功。今天,力学所毛天祥研究员又以隽秀的文字讲述了飞艇的前世今生故事。本刊在此期的“科普花园”栏目里,继续刊载《飞艇华丽转身又归来》一文的下篇,以飨读者。

  上个世纪的70年代以来,飞艇改用安全的氦气,其发展又开始呈现了活跃的景象,采用多种新技术的新型飞艇被用于空中摄影、摄像、巡逻等方面。特别是一些大型活动场合,如在洛杉矶、汉城和巴塞罗那举办的奥运会以及在和北京举办的亚运会上,它们又在会场上空显露着自己靓丽的身影。当然,这些是一类低空飞艇,人们的肉眼可以看到它们。而在新世纪里,随着科学技术的不断进步,人们对现代飞艇的要求也不断提高,希望它们能飞得更高、更远,能完成更多的任务。近年来,各国更是竞相开启了临近空间飞行器的研究,这项研究的驱动力首先来自于军用(包括侦察监视、定点通讯等等),当然大型飞艇还可以用于交通运输、环境监测、遥感通信、应急救援、公共安全和科学实验等民用方面,这也是社会经济发展的需求。于是,飞艇华丽转身又归来,成了大家的“香饽饽”。

  这里,我们要提及一个专业名词:临近空间。这是指距离地球表面20 - 100千米的空域。大家都知道,在地球引力作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在3000千米高空仍发现有稀薄大气,有人认为,大气层的上界可能延伸到离地面6400千米左右。在大气层中,科学家把从地面开始到10千米左右(下界为8千米,上界为12千米)的空域称为“对流层”,把10-55千米的空域称为“平流层”。平流层有这样一些特点:首先水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少,因此能见度很高;其次大气上暖下凉,不对流,以平流运动为主,飞行器在其中受力比较稳定,便于操纵架驶;最后,鸟类一般不能飞达平流层这样的高度,从而会减少了发生撞击意外的几率。加上在这个空域可以利用稳定的太阳能资源及平稳的大气环境,所以平流层成为临近空间飞艇的首选运行空域。

  一般说来,飞机和卫星都是可以在临近空间里飞行的,只是时间不能维持太久。例如,美国的F4战斗机,在上个世纪的50年代,就突破了3万米的飞行高度。但是,如果要求飞机完成侦察监视或通讯中继等使命,必须不停地在该空域内盘旋,从而需要不停地消耗大量的燃油。而且对于大多数机种,这个高度太高了!因为当高度为25千米时,空气密度只有海平面的1/40了,飞机发动机的工作效率已经低至临界点了。普通飞机在这个空域里的飞行变得十分困难,甚至无法飞行。然而,对于卫星,这个高度又太低了!其原因在于,一方面地球的引力较大,另一方面空气阻力也较大,长时间在此空域中运行,为了克服重力和阻力,就需要配备必要的助推火箭之类的装置并消耗不少的推进剂。在这个“飞机上不去,卫星下不来”的空域,过去人们一直没有好的办法到达,因此不能充分地开发利用它。然而,现代飞艇则显示了良好的应用前景。

  特别是在平流层,由于现代飞艇一般都具有太阳能电池阵列与储能装置构成的循环能源系统,可为飞艇飞行提供持续动力,从而具有长时间驻空和按航路飞行的能力。可以想象,只要气囊不漏气,飞艇就可以一直在天上飘着。所以,目前各国都在大力发展平流层飞艇,它可以不受对流层恶劣天气影响,可全天候、全天时连续工作,一般工作在25千米的高度上。尽管造一艘现代化高端飞艇并非便宜,但是从单位浮空时间的成本来看,它具有绝对的优势。如果让飞机、飞艇和卫星配合起来,那就更厉害啦!例如,如果要建立一个高分辨率的对地观测系统,那么人们可以如此布局:飞机作为一种航空观测系统在8千米以下的低空飞行,飞艇作为一种临近空间观测系统在20千米上下的中空飞行,而卫星作为一种天基观测系统在100千米以上的高空飞行(目前低轨卫星的最低飞行高度在250千米左右),它们都在各自最佳空域里工作。我们不难设想,这将会获得多么好的效益啊!

  又如,临近空间飞艇还可以考虑作为一种通讯中继平台来使用。它接收从卫星上发送来的通讯信号,然后直接或间接(通过飞机等)发送到地面的信息指挥中心。由于它具备全天候、全天时工作能。

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