文|創(chuàng)瞰巴黎 Pablo Andres
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀
飛艇誕生于19世紀末，由于舊時代技術(shù)的落后，飛艇在一場慘痛的空難之后逐漸退出歷史舞臺。縱然飛艇在安全性、控制性中具有很大的缺點，但其仍然擁有不容置疑的優(yōu)勢。百年來，隨著技術(shù)和材料發(fā)展的突飛猛進，飛艇是否能再次出現(xiàn)在大眾的視野？需要克服什么樣的風(fēng)險和難題？未來飛艇又將在哪些領(lǐng)域大放異彩?
一覽：
- 飛艇與其他交通工具相比具有不可否認的優(yōu)勢，有望重返歷史舞臺。
- 由于飛艇太輕，容易受到危險和惡劣天氣的影響，因此必須開發(fā)更精確的天氣預(yù)測和飛行控制技術(shù)。
- 計算機模擬、堅固的新材料、風(fēng)力預(yù)測工具等新材料的出現(xiàn)，使得新型飛艇成為可能。
- 飛艇不會取代大規(guī)模的傳統(tǒng)航空運輸，但可以在旅游業(yè)或短途運輸中發(fā)揮作用。
- 法國飛艇公司Flying Whales（飛鯨）和法國泰雷茲集團等幾家企業(yè)對開發(fā)新型飛艇有著濃厚興趣。
飛艇通常被認為是舊時代的技術(shù)。當(dāng)它們在19世紀末問世時，在全球引發(fā)了轟動：利用巨大氣球的浮力，飛艇可以以超過130公里/小時的速度飛行，不到60小時就能橫跨大西洋。
但飛艇最終卻是在一場慘痛的悲劇中淡出歷史舞臺：1937年，美國新澤西州上空，興登堡號巨型飛艇（長度與埃菲爾鐵塔高度相當(dāng)）發(fā)生事故，熊熊燃燒并墜毀。這場事故的慘烈程度即使在今天依舊令人痛心。盡管如此，飛艇仍然擁有不容置疑的優(yōu)勢，這次事故也并沒有影響人們對它們性能卓越的評價。
在法國國立高等先進技術(shù)大學(xué)（ENSTA）流體力學(xué)教授Olivier Doaré指導(dǎo)、博士生Robin Le Mestre撰寫的一份論文中，模擬了外部和內(nèi)部氣流對飛艇飛行的影響[1]。該課題有望促進飛艇的復(fù)興。Doaré指出：“災(zāi)難早在一個世紀前就已結(jié)束，百年來技術(shù)突飛猛進?！?/p>
01 易受風(fēng)力影響的飛艇
興登堡號給氣球充的是氫氣，一種高度易燃的氣體。設(shè)計飛船的德國工程師為什么不使用安全、不易燃、廣受推崇的氦氣？這是由于當(dāng)時的地緣政治背景：美國希望在氦氣技術(shù)上保持領(lǐng)先地位，壟斷了氦氣市場，故德國制造的興登堡號只得選用了氫氣。
Doaré解釋道：“如今，出于安全考慮，絕大多數(shù)飛艇都使用氦氣充氣，盡管同體積氦氣提供的浮力不如氫氣?！比欢?，氫燃料飛艇的想法并沒有被完全放棄，Le Mestre建議：“在燃料電池提供電力推進的情況下，氫可以同時作為載氣和燃料?！?/p>
使用這兩種氣體是因為它們比空氣輕。Le Mestre解釋道：“根據(jù)阿基米德浮力原理，飛艇充了密度比空氣輕的氣體，不需要任何能量就能懸浮在空中。這在當(dāng)前提倡低碳環(huán)保的大背景下是一個相當(dāng)大的優(yōu)勢。但飛艇為保持輕盈，機械原件不能有太多的保護層，暴露在變幻莫測的大氣中，這也是一種局限性?！?/p>
因此，如果想要讓飛艇重返歷史舞臺，必須充分掌握并克服相關(guān)氣象風(fēng)險。Le Mestre表示：“這就是我論文的主要內(nèi)容。新型飛艇必須有更精確的預(yù)測和控制手段，才能更好地抵御風(fēng)力作用?！?/p>
這篇論文引起了法國航空航天研究院（ONERA）的注意。該院的研究員Jean-Sébastien Schotté協(xié)助ENSTA團隊開發(fā)了氣象預(yù)測工具。據(jù)Schotté介紹：“對飛艇的可變形結(jié)構(gòu)和周圍氣體流動之間的耦合進行更好的建模，就能更準確地模擬飛艇遭遇陣風(fēng)等氣象狀況時的實際飛行路徑，有助于未來飛艇的設(shè)計和建造?！?/p>
02 飛艇的復(fù)興有賴于先進軌跡預(yù)測技術(shù)
如今不僅數(shù)字模擬技術(shù)突飛猛進，材料設(shè)計也日新月異。Schotté說：“現(xiàn)代材料更耐磨、更防水，而且更輕?！?Doaré說：“如今的風(fēng)力預(yù)測工具種類多樣，非常有效?！币粋€例子是激光雷達技術(shù)，可用于風(fēng)力預(yù)測，目前已安裝在風(fēng)力發(fā)電廠里，優(yōu)化發(fā)電控制。這種技術(shù)也可用于飛艇?！叭欢?，為了預(yù)測飛艇的實際軌跡，保證安全，還必須考慮風(fēng)力之外的諸多環(huán)境因素。即使使用當(dāng)下最新的技術(shù)手段，也很難在計算機上完美地模擬飛艇的飛行軌跡?！?/p>
納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程是流體力學(xué)的基本方程。它能描述最復(fù)雜的流體運動，包括飛艇所處的大氣環(huán)境。但是N-S方程過于繁瑣，不適合完整模擬飛艇等大型柔性結(jié)構(gòu)的飛行。Le Mestre解釋道：“因此，課題的第一步是簡化納維-斯托克斯方程，只保留其最基本的元素。我們對所研究的每一對相互作用都提出了假設(shè)，推導(dǎo)出多個合理簡化的N-S方程，這樣就能通過數(shù)學(xué)運算符對系統(tǒng)進行數(shù)字建模?！?/p>
“根據(jù)阿基米德浮力原理，飛艇不需要任何能量就能懸浮在空中?！?/p>
利用上述簡化思路，研究者們成功地對飛艇的飛行進行了建模，模型既準確，又支持快速計算。未來，工程師們希望以此模型為基礎(chǔ)改良飛艇控制系統(tǒng)，更靈敏地響應(yīng)實際外部環(huán)境。Doaré說：“傳統(tǒng)飛機質(zhì)量大，發(fā)動機的動力也大，如果飛行員想左拐，無論風(fēng)向如何，他都能控制飛機向左飛?！憋w艇恰恰相反：輕飄飄，發(fā)動機動力小，所以控制系統(tǒng)的優(yōu)化必須考慮風(fēng)力作用。
Le Mestre的課題還在繼續(xù)，未來希望幫助制造商開發(fā)基于實時風(fēng)力數(shù)據(jù)的飛行軌道控制預(yù)測工具，升級飛艇設(shè)計。
03 飛艇有望在特定場景發(fā)揮作用
體積太大是飛艇的一個缺點。飛艇分軟式（氣球無骨架）和硬式（氣球有骨架）兩種。軟式雖沒有安全優(yōu)勢，但相對載重量大。然而與飛機相比，要運送相同數(shù)量的乘客或貨物，飛艇的體積仍大太多。Doaré承認：“我個人不認為飛艇會取代飛機。首先是因為龐大的航空業(yè)難以輕易顛覆，其次是因為飛艇結(jié)構(gòu)尺寸的缺點。”
事實上，如今的機場僅僅是起降飛機就已經(jīng)夠占空間。專為飛艇建設(shè)的機場所需的空間將大得離譜。飛艇客運只適合在小范圍內(nèi)開展，在特定場景中發(fā)揮優(yōu)勢。Le Mestre 說：“在旅游業(yè)中，飛艇可以成為類似熱氣球的游覽項目?！痹诮煌I(yè)中，飛艇可以應(yīng)用于短途運輸。世界各地有許多沒機場的島嶼，飛艇也能派上用途。
小知識：浮空器大家族
飛艇、熱氣球、系留氣球都屬于浮空器。后兩種裝置使用的技術(shù)與飛艇類似。ENSTA論文的結(jié)果同樣適用于它們。
系留氣球可執(zhí)行觀測任務(wù)。例如軍事偵察、生態(tài)地形勘探或簡單的漁業(yè)監(jiān)控，也可用于通訊。更重要的是，氣球放氣后可以輕松地折疊收納，很適合在敏感地區(qū)快速運輸部署。
在惡劣天氣下精準控制飛艇的飛行，并準確預(yù)測飛行軌跡，能增加飛艇在空中的穩(wěn)定性。結(jié)合其低能耗的優(yōu)勢，浮空器即使面對競爭對手無人機也能有一拼。
Le Mestre說：“新型浮空器技術(shù)并不是要取代大規(guī)模的航空運輸，但它有許多優(yōu)勢，可以在特定領(lǐng)域大放光彩。雖然剛才說飛艇相對載重量小，但也能運載幾十噸的貨物?！痹谝恍\輸時間長短不敏感的行業(yè)，飛艇可以有用武之地。
目前法國的飛鯨公司對ENSTA的課題表示出了興趣。Le Mestre補充道：“該公司想在幾年內(nèi)開發(fā)出一種新型飛艇，用于在山區(qū)森林等人跡罕至的地區(qū)運輸貨物。”用飛艇往返偏遠森林運輸木材比用直升機更高效，因為直升機的載貨量小，成本也更昂貴。
法國航空航天研究院還與法國泰雷茲集團合作，啟動了Stratobus項目[2]，開發(fā)能在平流層飛行的飛艇，在監(jiān)視、通信和國防方面開展與衛(wèi)星互補的任務(wù)?？梢?，飛艇領(lǐng)域研發(fā)活動非?；钴S，飛艇技術(shù)即將迎來新的未來！