文|創(chuàng)瞰巴黎 Pablo Andres
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀
飛艇誕生于19世紀(jì)末，由于舊時(shí)代技術(shù)的落后，飛艇在一場(chǎng)慘痛的空難之后逐漸退出歷史舞臺(tái)。縱然飛艇在安全性、控制性中具有很大的缺點(diǎn)，但其仍然擁有不容置疑的優(yōu)勢(shì)。百年來(lái)，隨著技術(shù)和材料發(fā)展的突飛猛進(jìn)，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(xiǎn)和難題？未來(lái)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(rèn)的優(yōu)勢(shì)，有望重返歷史舞臺(tái)。
- 由于飛艇太輕，容易受到危險(xiǎn)和惡劣天氣的影響，因此必須開發(fā)更精確的天氣預(yù)測(cè)和飛行控制技術(shù)。
- 計(jì)算機(jī)模擬、堅(jiān)固的新材料、風(fēng)力預(yù)測(cè)工具等新材料的出現(xiàn)，使得新型飛艇成為可能。
- 飛艇不會(huì)取代大規(guī)模的傳統(tǒng)航空運(yùn)輸，但可以在旅游業(yè)或短途運(yùn)輸中發(fā)揮作用。
- 法國(guó)飛艇公司Flying Whales（飛鯨）和法國(guó)泰雷茲集團(tuán)等幾家企業(yè)對(duì)開發(fā)新型飛艇有著濃厚興趣。
飛艇通常被認(rèn)為是舊時(shí)代的技術(shù)。當(dāng)它們?cè)?9世紀(jì)末問世時(shí)，在全球引發(fā)了轟動(dòng)：利用巨大氣球的浮力，飛艇可以以超過(guò)130公里/小時(shí)的速度飛行，不到60小時(shí)就能橫跨大西洋。
但飛艇最終卻是在一場(chǎng)慘痛的悲劇中淡出歷史舞臺(tái)：1937年，美國(guó)新澤西州上空，興登堡號(hào)巨型飛艇（長(zhǎng)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(chǎng)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(shì)，這次事故也并沒有影響人們對(duì)它們性能卓越的評(píng)價(jià)。
在法國(guó)國(guó)立高等先進(jìn)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(duì)飛艇飛行的影響[1]。該課題有望促進(jìn)飛艇的復(fù)興。Doaré指出：“災(zāi)難早在一個(gè)世紀(jì)前就已結(jié)束，百年來(lái)技術(shù)突飛猛進(jìn)?！?/p>
01 易受風(fēng)力影響的飛艇
興登堡號(hào)給氣球充的是氫氣，一種高度易燃的氣體。設(shè)計(jì)飛船的德國(guó)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(shí)的地緣政治背景：美國(guó)希望在氦氣技術(shù)上保持領(lǐng)先地位，壟斷了氦氣市場(chǎng)，故德國(guó)制造的興登堡號(hào)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?！比欢瑲淙剂巷w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(jìn)的情況下，氫可以同時(shí)作為載氣和燃料?！?/p>
使用這兩種氣體是因?yàn)樗鼈儽瓤諝廨p。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(gè)相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。但飛艇為保持輕盈，機(jī)械原件不能有太多的保護(hù)層，暴露在變幻莫測(cè)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(tái)，必須充分掌握并克服相關(guān)氣象風(fēng)險(xiǎn)。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(cè)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(guó)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了氣象預(yù)測(cè)工具。據(jù)Schotté介紹：“對(duì)飛艇的可變形結(jié)構(gòu)和周圍氣體流動(dòng)之間的耦合進(jìn)行更好的建模，就能更準(zhǔn)確地模擬飛艇遭遇陣風(fēng)等氣象狀況時(shí)的實(shí)際飛行路徑，有助于未來(lái)飛艇的設(shè)計(jì)和建造?！?/p>
02 飛艇的復(fù)興有賴于先進(jìn)軌跡預(yù)測(cè)技術(shù)
如今不僅數(shù)字模擬技術(shù)突飛猛進(jìn)，材料設(shè)計(jì)也日新月異。Schotté說(shuō)：“現(xiàn)代材料更耐磨、更防水，而且更輕?！?Doaré說(shuō)：“如今的風(fēng)力預(yù)測(cè)工具種類多樣，非常有效?！币粋€(gè)例子是激光雷達(dá)技術(shù)，可用于風(fēng)力預(yù)測(cè)，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。“然而，為了預(yù)測(cè)飛艇的實(shí)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(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)，包括飛艇所處的大氣環(huán)境。但是N-S方程過(guò)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(jiǎn)化納維-斯托克斯方程，只保留其最基本的元素。我們對(duì)所研究的每一對(duì)相互作用都提出了假設(shè)，推導(dǎo)出多個(gè)合理簡(jiǎn)化的N-S方程，這樣就能通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算符對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字建模。”
“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。”
利用上述簡(jiǎn)化思路，研究者們成功地對(duì)飛艇的飛行進(jìn)行了建模，模型既準(zhǔn)確，又支持快速計(jì)算。未來(lái)，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(shí)際外部環(huán)境。Doaré說(shuō)：“傳統(tǒng)飛機(jī)質(zhì)量大，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力也大，如果飛行員想左拐，無(wú)論風(fēng)向如何，他都能控制飛機(jī)向左飛?！憋w艇恰恰相反：輕飄飄，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(lái)希望幫助制造商開發(fā)基于實(shí)時(shí)風(fēng)力數(shù)據(jù)的飛行軌道控制預(yù)測(cè)工具，升級(jí)飛艇設(shè)計(jì)。
03 飛艇有望在特定場(chǎng)景發(fā)揮作用
體積太大是飛艇的一個(gè)缺點(diǎn)。飛艇分軟式（氣球無(wú)骨架）和硬式（氣球有骨架）兩種。軟式雖沒有安全優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)載重量大。然而與飛機(jī)相比，要運(yùn)送相同數(shù)量的乘客或貨物，飛艇的體積仍大太多。Doaré承認(rèn)：“我個(gè)人不認(rèn)為飛艇會(huì)取代飛機(jī)。首先是因?yàn)辇嫶蟮暮娇諛I(yè)難以輕易顛覆，其次是因?yàn)轱w艇結(jié)構(gòu)尺寸的缺點(diǎn)。”
事實(shí)上，如今的機(jī)場(chǎng)僅僅是起降飛機(jī)就已經(jīng)夠占空間。專為飛艇建設(shè)的機(jī)場(chǎng)所需的空間將大得離譜。飛艇客運(yùn)只適合在小范圍內(nèi)開展，在特定場(chǎng)景中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。Le Mestre 說(shuō)：“在旅游業(yè)中，飛艇可以成為類似熱氣球的游覽項(xiàng)目?！痹诮煌I(yè)中，飛艇可以應(yīng)用于短途運(yùn)輸。世界各地有許多沒機(jī)場(chǎng)的島嶼，飛艇也能派上用途。
小知識(shí)：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(cè)任務(wù)。例如軍事偵察、生態(tài)地形勘探或簡(jiǎn)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(yùn)輸部署。
在惡劣天氣下精準(zhǔn)控制飛艇的飛行，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(shì)，浮空器即使面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手無(wú)人機(jī)也能有一拼。
Le Mestre說(shuō)：“新型浮空器技術(shù)并不是要取代大規(guī)模的航空運(yùn)輸，但它有許多優(yōu)勢(shì)，可以在特定領(lǐng)域大放光彩。雖然剛才說(shuō)飛艇相對(duì)載重量小，但也能運(yùn)載幾十噸的貨物?！痹谝恍?duì)運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)短不敏感的行業(yè)，飛艇可以有用武之地。
目前法國(guó)的飛鯨公司對(duì)ENSTA的課題表示出了興趣。Le Mestre補(bǔ)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(yùn)輸貨物?！庇蔑w艇往返偏遠(yuǎn)森林運(yùn)輸木材比用直升機(jī)更高效，因?yàn)橹鄙龣C(jī)的載貨量小，成本也更昂貴。
法國(guó)航空航天研究院還與法國(guó)泰雷茲集團(tuán)合作，啟動(dòng)了Stratobus項(xiàng)目[2]，開發(fā)能在平流層飛行的飛艇，在監(jiān)視、通信和國(guó)防方面開展與衛(wèi)星互補(bǔ)的任務(wù)?？梢姡w艇領(lǐng)域研發(fā)活動(dòng)非?；钴S，飛艇技術(shù)即將迎來(lái)新的未來(lái)！