没有螺旋桨也能够！那艘飞艇只靠浮力飞翔

图片泉源：Phoenix Consortium

客岁3月，全新的飞艇“凤凰”号(Phoenix)在英国朴茨茅斯沿着曾经为皇家水师建筑扫雷舰的修建中举行初次飞行。

“凤凰”号是艘无人驾驶的小型飞艇，它没有引擎，但是通过转变浮力和偏向来推进。原型机长约15米，翼展10.5米，满载重量150公斤(330磅)。它飞过了整座修建，每次飞行都必要上下颠簸约莫五次。

以这种惊奇的方法飞行有如下利益：起首，它只必要很少的能量，使飞船可以用于永劫间的使命；别的，它还幸免了扭转的转子和压缩机叶片以及剧烈的排气流，这些都大概对地面上乃至氛围中的人或物体造成伤害；最终，它很酷：像是海洋生物一样移动的飞艇。

这种推进的观点早在1864年就有了，其时新泽西州的所罗门·安德鲁斯(Solomon Andrews)申请了飞艇技能的专利。安德鲁斯把这艘飞船定名为Aereon，他发起用氢气来提拔飞船，让飞船上升。然后，飞船可以排挤一部门氢气来淘汰浮力，从而使它可以或许降落。最终，通过抛弃吊在飞艇下面的吊舱中的压舱物，可以实现比氛围轻的浮力。

领航员沿着吊舱行走来操纵飞艇的姿态——走到前面使重心移动到浮力中间前面，使飞艇的机头向下倾斜；走到背面会使飞艇翘起来。

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安德鲁斯发起可以联合利用这两种要领来推动飞艇以正弦曲线飞行。上升时举高机头，降落时低落机头，会使氛围动力与浮力或重量的组合在飞行路径上形成矢量重量。除了在飞行路径的顶部和底部，这个部门提供了推力，只有动量才气通过。相干研究职员举行的飞行测试因此行走速率举行的，以是氛围动力很小。在飞行路径上，总是会有浮力或重量的构成部门。

安德鲁斯在他的专利中形貌的要领意味着，当飞艇耗尽氢或压舱物时，飞行就一定完结。厥后，他又建筑了第二艘飞艇，使用缆绳来压缩气体或让气体再次膨胀，如许飞艇就可以上下飞行而不必抛弃压舱物。他的要领是公道的：解开这个想法并制造出一艘有效的飞艇的要害因此可连续的方法转变浮力的本领。

这种推进模式的改变已经在水下、长途操纵的车辆中乐成地举行了演示。很多这种“滑翔机”通过利用压缩氛围来膨胀和紧缩可弯曲的气囊来转变水的体积。这种滑翔机曾被用作远间隔侦查东西，定期浮出水面上传网络到的数据。由于水的密度险些是氛围的1000倍，以是这些呆板人潜艇不必要转变气囊的体积就能转变浮力。

这种可变浮力观点的航空版本已经举行过试验——新墨西哥州立大学的物理科学试验室在2000年早期举行了一个名为Aerobody的演示项目——但全部人能做的便是证明这种惊奇的推进情势是可行的。在此之前，还没有人使用过它在超长续航应用上的贸易潜力。

“凤凰”号项目是由雅典娜工程公司(Athene Works)开辟的一个小型演示体系进展而来的，雅典娜工程是家专门从事创新的英国公司，由英国国防部资助。这个演示体系非常乐成，并引起了致力于测试新想法的当局机构创新英国(Innovate UK)以及航空技能研究所(Aerospace Technology Institute)的兴趣。航空技能研究所是一家当局资助的机构，致力于推动航空运输中的革命性技能。这两个构造提供了350万英镑预算的一半，别的的则由致力于高代价制造业的四家私营公司、五所大学和三家当局机构提供。

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海豚般的行动：飞艇从垂直活动中孕育发生程度冲力，这是通过将氛围从外部压缩到内部的“肺”孕育发生的。这种吸气和呼气行动平静而高效。

为举行上下活动，飞艇将氛围吸入并压缩到内部“肺”，使其自身比氛围重。然后开释压缩氛围，使其再次变得比氛围轻。可以将飞艇想像成是一种可以或许在向前推动时吸气和呼气的生物。

15m长的机身内添补了氦气以得到浮力，机身呈水点状。在飞艇可以或许到达的相对较低的速率下，水点的流线型足以幸免涡流，当飞艇外貌周边的氛围界限层离开它时，涡流就会在球体上形成。对付“凤凰”号，唯一的阻力来自于它在外貌腻滑流淌时的氛围摩擦。

这种外壳是用Vectran制成的，这种纤维充足牢固，可以或许蒙受内部压力，而且精密地联合在一路，与热塑性聚氨酯涂层联合在一路，可以将氦气密封在内里。要害是要有充足的强度来连结精确的形状，纵然在飞艇的内部气囊膨胀的时间。

无论是上升照旧降落，飞艇都一定操纵它的姿态。是以，它的机翼顶部有副翼来操纵飞艇的转动。飞艇后部是十字形布局，带有一对程度稳健器，此中包罗起落装置来操纵飞艇向上或向下倾斜，另有一对雷同的带有偏向舵的垂直稳健器来操纵飞艇向左或向右倾斜。

两个碳纤维翼梁高出机翼，给予它们气力。翼型肋沿翼梁漫衍，每个翼肋由夹在碳纤维之间的泡沫构成。一层薄薄的皮层包裹在这个骨架上，形成党羽形状。他们设计的程度和垂直尾翼部门是雷同的。是以，研究职员可以或许限定部件的范例，使飞行器更简单建筑和修理。

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飞艇上的电力体系提供所需的电力来操纵泵和阀门，这些阀门用来给内胆充气和放气。它还为调解飞行操纵外貌所需的种种实行器提供动力，并连结飞机的自主飞行操纵体系正常运行。一种容量为3千瓦时的可充电锂离子电池在暗中中就能餍足这些要求。白昼，柔性太阳能电池阵列(大部门在机翼上外貌，别的在程度尾翼上外貌)为电池充电。在户外阳光下的地面测试证明，这些太阳能电池可以同时为飞机的全部体系供电，并在公道的时间内为电池充电，证明白“凤凰”号可以完全自给自足。

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研究职员也曾假想利用氢燃料电池，但因为防火宁静要求，它还没有完全预备好举行室内飞行试验。为了冗余，他们打算添加第二个电源。别的，假如利用氢气作为升力气体，燃料电池可以用来增补任何通过飞艇外壳丢失的氢气。

那它飞得怎么样？在测试中，研究职员为主动飞行操纵体系编写了步伐，通过操纵阀门和与内胆相连的压缩机，使其沿着正弦飞行路径飞行。在这方面，飞行操纵体系与潜艇的浮力操纵比飞机的飞行操纵更相似。

在室内测试中，飞艇可以自行决定其上下活动的振幅和每个颠簸的长度，以到达须要的速率。固然到现在为止，该试验仅仅是测试一个曩昔未经证明的观点，“凤凰”号如今可以作为一个有贸易代价的飞艇的原型。

这种飞艇的贸易应用并不难想象。高空伪卫星便是很好的例子，它可以恣意定位，向迢遥的地方传送无线信号。现有的飞行器都必要非常大的太阳能电池阵列和大电池，这增添了飞行器的重量和本钱。因为“凤凰”号只必要在机翼和程度尾翼上安置少量的太阳能电池阵列，其制造本钱仅为太阳能电子飞行器的非常之一。它非常便宜，具有比替换飞行器高得多的有用载荷和质量比的替换品。研究职员对“凤凰”号更大版本的设计评释将100公斤的有用载荷提拔到20千米的高度是可行的。

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