本
文
摘
要
本期分享NASA的一个PPT报告，由NASA Ames Research Center的Ron Hochstetler，Girish Chachad和John Melton共同完成。
正文介绍
P1：目录
（1）简介
（2）需求侧：飞艇任务和用户
（3）供应方：飞艇公司
（4）最近的飞艇计划
（5）飞艇设计趋势和技术
飞艇技术新趋势
（6）建模和仿真工具
（7）研究结论
（8）研究建议
（9）混合飞艇
P2：报告鸣谢以下团体及个人的支持
•航空专家（SAIC）LTA SME对SimLabs的支持
•SAIC LTA项目总监
•上汽SKYBUS 80K UAS飞艇项目副经理
•美国陆军“运输飞艇”研究项目经理
•为DARPA“ISIS”平流层飞艇第一阶段提供技术支持
•德国CargoLifterGmbH高级项目分析师
•支持美国海军飞艇项目办公室的项目经理
•飞艇工业商用飞艇的旅游经理
•YEZ-2A海军飞艇项目经理助理
•直升机重型升力混合飞艇上的机械/装配工
PiaseckiHelistat直升机混合旋转飞艇
美国海军YEZ-2A飞艇模型
1988年Pepsi飞艇之旅
SAIC空中巴士8ok
DARPA ISIS平流层概念
CargoLifter重型升降飞艇概念
P3：引言
（1） *** 一直对飞艇用于货物运输的潜力感兴趣。
在很少或没有地面基础设施的情况下，进行垂直或接近垂直的重型、特大型货物空运是一种有吸引力的货物运输选择。
（3）USTRANSCOM希望了解阻碍飞艇运输商业发展的主要问题。
（3）NASA Ames研究中心受USTRANSCOM委托，研究飞艇行业设计、开发和操作货运飞艇的能力。
（4）主要研究目标是确定：
货运飞艇行业的当前和近期状况；
阻碍货运飞艇发展的障碍；
清除货运飞艇部署障碍所需的步骤。
P4：需求端：飞艇任务和用户
（1）自大型刚性飞艇时代以来，对货运飞艇的兴趣最大。
商用飞艇运输范围从几十英里到几百英里（最高需求），有少量的长途任务；
飞艇运输的基本需求量为10至15吨，中期需求量约为45至50吨，增加到150吨以上。
（2）支持“资源提取”的主要商业应用。
飞艇可进入偏远或难以进入的地区，这些地区的常规运输费用高昂或环境受到限制。
（3）对移动超大或重型“项目货运”特别感兴趣。
加拿大北部住宅建设
重型垂直升降机
设备运输
加拿大冰路更换
P5：需求方：飞艇任务和用户（续）
国防部要求将材料插入不易到达的临界点，
（1）减少作战区域内所需的移动次数
（2）为美军提供自适应力量投射的优势
（3）以新的方式移动新事物（支持海基概念等）
P6：供应方：飞艇公司
（1）行业调查评估了51个组织的能力
（2）七家公司代表了大多数现有飞艇运营商
五家（所有制造商）具有浮空器操作能力
36家公司有潜力（或渴望）开发和制造其LTA设计
三家公司只专注于LTA设计，没有制造兴趣
（3）18家积极设计、建造或运营飞艇或浮空器的公司
这些项目由全职员工资助，目前提供飞艇、浮空器或运行LTA系统（或能够这样做）
（4）13家公司有一定程度的资金，一些员工（大部分是 *** ）
但尚未开展供应或运营LTA飞艇的持续业务
（5）14家公司有一定程度的LTA设计或开发承诺
但由于资金不足或未决，未积极推进
P7：最近的飞艇项目
（1）混合动力飞行器（HAV）将LEMV改装为概念验证型商用货运飞艇演示器（即将首飞）
（2）洛克希德·马丁公司准备建造数艘LMH-1商用货运混合飞艇，等待市场订单
LEMV混合飞艇
洛克希德·马丁LMH-1混合飞艇概念
P8：最近的飞艇计划（续）
•俄亥俄州飞艇出租测试概念验证“有翼”混合货运飞艇
俄亥俄州飞艇演示器旋转飞行试验
P9：最近的飞艇计划（续）
（1）千禧飞艇计划开发采用推力增强矢量推进/机翼的SkyFreightrigid壳载飞艇
（2）TP Aerospace正在完成ATLAS 50货运飞艇的设计
使用电力推进和滚上滚下和悬停有效载荷交付
TP Aerospace ATLAS 50在恶劣环境卸货
带四个推进器翼的千禧航空飞艇
TP航空航天充气刚性艇体结构布局
P10：最近的飞艇计划（续）
（1）法国Dirisolarco公司正在使用铝管和帆织物设计其全太阳能电动DS 1500概念验证飞艇
（2）另一家法国公司A-NSE正在研究其独特的可变形状和可变体积非刚性飞艇概念
可以根据需要通过改变艇体形状来优化飞艇艇体，以实现高速飞行或悬停飞行
太阳能电池的直接安装
A-NSE旁瓣设计概念的CFD模拟
P11：最近的飞艇计划（续）
（1）一家阿根廷公司Aerovehicles正在初步设计其Aerocat刚性混合货运飞艇概念
（2）齐柏林NT保持其飞艇设计、制造和运营经验，为固特异提供3艘新的齐柏林N 07飞艇
航空飞行器AerocatR-40
飞行中固特异齐柏林N-07
齐柏林N 07在固特异机库组装
P12：最近的飞艇计划（续）
两家俄罗斯公司RosAeroSystem和飞艇GP提出了重型商用货运飞艇的设计，每一家公司都采用了以前飞艇设计中未采用的几种新技术。
RosAeroSystems ATLANT，内置氢气球
GP超级混合动力飞艇
ATLANT涡轮螺旋桨发动机和涡轮喷气发动机提升
超级混合动力内部推进装置的布局
超级混合氦气和空气/蒸汽室
P13：飞艇设计趋势和技术
（1）具有单椭球形状和混合设计的近浮力飞艇，将气举与飞机或直升机的动态升力相结合
（2）正在探索其他飞艇形状：
翼式和旋转式混合动力
透镜形、三角形和球形外壳
（3）飞艇艇体在专用性能能力之间妥协
用于高速长距离作业的流线型艇体
用于悬停精度和减缓阵风的非定向艇体
（4）带悬停的货物运送飞艇不着陆以拾取或运送货物
P14：飞艇设计趋势和技术（续）
（1）飞艇结合了现代刚性结构和织物结构
飞艇织物的强度重量比增加。最受欢迎的包括Vectran和Technora
（2）Chromoly-4130管材和铝仍在使用，但采用了Kevlar、石墨层压板和Nomexhoneycomb
用于吊舱的航空航天复合管（齐柏林飞艇N 07艇体的大部分由石墨管制成）
TP航空航天“刚性”艇体结构，由充气高压织物管制成
（3）一些刚性艇体结合了内部刚性部件（纵梁和纵梁）和轻质刚性壳体
一艘硬壳飞艇使用航空航天铝板，而另一艘则使用硬化的复合纤维板
充气柱悬挂汽车
ATLANT结构和蒙皮
P15：飞艇设计趋势和技术（续）
（1）使用了航空航天和非航空航天发动机，没有一种发动机是针对飞艇进行优化的
航空柴油机正在使用（350马力），但更大的飞艇需要高功率版本
尽管燃料消耗较高，但仍选择涡轮螺旋桨发动机
（2）新的推进方案包括：
由太阳能电池供电的电动机，以及柴油发动机和发电机相结合的混合电力系统
使用柴油发动机驱动的飞艇进行了试飞
LEMV 350马力航空柴油机
蓝魔鬼2 TPE331-12涡轮螺旋桨发动机
Polar 400液压动力飞艇
P16：飞艇设计趋势和技术（续）
（1）设计人员开发控制飞艇浮力的方法
压缩提升气体并将其储存在艇上
加热提升气体以增加其体积并随后提升
使用过热蒸汽作为可排放的廉价、安全的提升气体
（2）为使氢气不易燃的化学添加剂颁发的俄罗斯专利（俄罗斯专利号2441685，2012年10月2日）
允许安全使用廉价氢气作为可排放的提升气体
Skylite GeoShip浮力补偿系统
蒸汽气球
P17：飞艇设计趋势和技术（续）
（1）混合升降体飞艇的设计者正在采用气垫着陆系统（ACLS）
（2）这些气垫系统允许飞艇在未开发的表面和水体上着陆和滑行
ACLS承诺独立于准备好的作战地面站点
洛克希德·马丁公司LMH-1 ACLS着陆器裙边
HAV AIRLANDER ACLS裙板展开着陆
P18：飞艇设计趋势和技术（续）
飞艇货物处理系统
带有传统滚入滚出坡道的内部车厢，进入有效载荷舱
运载外部连接在飞艇下方的大型、超大货物或标准运输集装箱
设计用于悬停有效载荷输送的悬挂载荷系统
洛克希德·马丁公司LMH-1卸载CONEX箱
用于货箱外部连接的USIC概念
洛克希德·马丁混合动力，带吊索负载
P19：新式飞艇技术
•新技术为货运飞艇操作提供了巨大优势
应用于LTA艇体表面的类似鲨鱼皮的特殊结构可减少6.25%的阻力
憎水性表面处理，强烈排斥水，可减少雨、雪和冰的积聚
固态电路将电转化为等离子体流，加速艇体蒙皮附近的空气，可以提供低功率推进（25kt.+）和边界控制，以减少艇体阻力
防水涂层
“鲨鱼皮”涂层的电子显微照片
多势垒等离子体致动器示意图
P20：飞艇建模与仿真工具综述
（1）调查了为飞艇尺寸、设计、开发和操作开发的九种建模和仿真工具
（2）现有的其他工具被所有者视为专有工具，不可用于本研究
（3）差距分析确定了满足当前和未来飞艇设计工作需要的工具开发
货物升降机热力学/空气动力学模型
高级飞艇分析与设计（A3D）工具
P21：建模和软件工具差距分析第1部分
P22：建模和软件工具差距分析第2部分
P23：建模与仿真工具调查结果
（1）一些工具的能力有限，但没有一个是经过充分开发和验证的模型
许多工具过时、保真度低或缺乏深入的分析洞察力
大多数提供设计、任务、作战运作和制造成本的规模和评估
只有三套工具组具有超过飞艇尺寸的能力
（2）成本和竞争保密是限制飞艇模拟工具创建的因素
没有激励飞艇公司创建对竞争对手有用的建模和仿真工具
建模工具在构建实际飞艇的成本方面处于次要地位
不准确模型的推断会传播财务不确定性和技术风险
总的来说，调查的工具中没有一个能代表为现代飞艇详细设计的高保真度分析而开发的单一学科程序
P24：飞艇行业研究结论
（1）飞艇行业拥有开发货运飞艇的巨大能力
（2）飞艇行业正在老化，在少数小型公司和独立的飞艇工程师中支离破碎
（3）航空航天界为飞艇工业提供了丰富的技术和开发工具来源
（4）新材料、推进系统和控制软件可用于大型现代飞艇的建造和操作
（5）尚未定义行业认可的飞艇工程数据库
这些知识不是在一个权威位置收集或存档的
（6）潜在的飞艇用户群体正在扩大，但由于对飞艇技术的可行性和飞艇运营成本/效率缺乏保证（信心），飞艇使用资金的承诺受到限制
结论是，在飞行测试原型能够证明有效之前，飞艇开发的投资很少
因此，设计、制造和驾驶原型的资金取决于飞艇是否能按预期运行
P25：飞艇行业研究结论（续）
（1）缺少的是一个飞艇专家资源，该资源可以提供所需的全面、经验证的分析工具，以帮助飞艇开发人员就拟定的飞艇设计、技术和操作做出决策
（2）这是一个持续存在的障碍，阻碍了飞艇行业突破，为明显希望利用它们的细分市场可持续生产有能力的飞艇
（3）今天的潜在飞艇用户和投资者还需要技术和运营见解，为他们就特定飞艇概念或运营方案做出有信心的投资决策提供坚实基础
（4）然而，没有独立的实体能够提供足够详细的分析见解，以对潜在飞艇用户或飞艇行业投资者提出的飞艇设计的技术可行性或其运营成功可能性的问题作出可信的回应。
P26：建议
在充分了解飞艇基本特性的基础上，需要一整套完整的飞艇建模和仿真工具
（1）组装LTA知识库和工具集
a.在一个可搜索的在线存储库中收集LTA设计和运营数据
b.开发专门用于飞艇飞行器的设计过程工具集
c.建立一套经过验证的建模和仿真工具，供飞艇公司使用
d.开发飞艇设计、制造和操作的成本分析工具
（2）利用工具和知识库
a.调查关键LTA设计概念、结构、材料或子系统
b.对LTA飞艇和CONOPS进行作战分析，以确定挑战
c.对LTA制造概念和技术进行建模和仿真研究
降低人工和组装成本，改善飞艇在现场的维护
（3）私人公共飞艇计划
美国 *** （USTRANSCOM）可以为研究货运和无人机运载任务的公私伙伴关系提供领导，NASA Ames可以为飞艇运输业开发工程工具提供指导。私人公共飞艇公司也计划利用商用飞艇开发和验证飞艇建模和仿真工具。
P27：常规飞艇与混合升降体
由于重心较低，传统艇体在俯仰方面固有地更稳定
与相同气体体积的多叶混合体相比，传统艇体的表面积更小
（1）混合动力需要更多织物
（2）混合动力空载重量更重
（3）混合动力具有更大的阻力，产生更高的燃油消耗
P28：货物升降机——1990年代末
（1）设计和制造CL-160-160公吨升力货运飞艇
（2）计算机控制的推进和定位系统
（3）垂直推进器提供40吨升力
艇首/艇尾推进器在负载交换和系泊期间提供定位稳定性
（4）半刚性石墨复合管龙骨
（5）16台GE涡轮轴发动机，用于主推进、电站维护和艇舶动力
（6）采用起重机与地面道碴进行垂直有效载荷交换
（7）不需要着陆来装载或卸载有效载荷
CL-160结构概念侧视图
CL-160座舱结构的CAD绘制
