飛艇界的蠕動精華——「蠕蟲」飛艇

仿生學一直是科研人員們熱衷的研究方向，生活中不乏許多仿動物運動的現代科技，比如Festo的仿生系列。動植物的體態和運動方式經過上億年的進化肯定擁有它自身的優勢，仿生設計則是我們學習和提煉自然規律的最好方式。今天我就要講講浮空器界的仿生產物 ——「蠕蟲」飛艇。

蠕蟲飛艇飛行視頻

傳統的平流層飛艇已經具備了飛行高度高、隱身性能好、生存能力強 、覆蓋範圍大 、任務成本低、工作壽命長 、裝備周期短、信息獲取與傳輸能力強、可快速布置和轉移等方面的優勢，具有極高的軍事應用價值,在國防安全體系中具有重要的作用和地位。但是，隨著任務的逐步加劇，飛艇的體積也越做越大，如何克服飛艇在平流層環境長時間運行又不用增大它的設計體型成了一大難題。飛艇結構輕量化設計是減輕艇體質量，縮小艇體積，增加駐留時間的重要手法。從仿生學上看，蠕蟲細長而分段的體型減小了總體的體積，又具有很好的機動性能，於是，飛艇界的蠕動精華——「蠕蟲」飛艇便應運而生。

早在1991年，德國斯圖加特大學航空工程計算結構力學研究所便啟動了「LOTTE-1」飛艇研究計劃，並於1993年4月成功試飛。1996年，斯圖加特大學又以「LOTTE」飛艇為試驗平台，為了解決高空飛艇結構重量問題，他們提出了分段式蠕蟲飛艇（Airworm）概念方案（如圖1所示），以實現結構輕量化。Airworm將整個艇體分為若干相互連接的囊體，囊體內置球形副氣囊，通過對分段囊體的單獨控制，實現對飛艇的控制。該設計方案降低了保持囊體外形所需的內外壓差。Airworm的出現開啟了「蠕蟲」飛艇家族的大門。

圖1 「蠕蟲」（Airworm）飛艇

2002年，斯圖加特大學與美國Sanswire公司合作，與無人機飛行器製造商TAO技術公司聯合研製了Sanswire-TAO（STS-111）多節柔性超輕型飛艇（如圖2所示）。Sanswire-TAO是一款用於執行情報收集、監視、偵查（ISR）任務的新式「氣動鏈式」平台，它的外型呈「蠕蟲」狀，整個囊體被分割成四個相互連接的單一囊體，長約34米，最大直徑3.4米，它採用天然氣細胞動力推進和發電，任務高度為3000至9000米，能夠獨立飛行2.5天。

圖2 Sanswire-TAO（STS-111）多節柔性超輕型飛艇

Sanswire-TAO（STS-111）的四個囊體間採用鉸鏈連接。通過對分段囊體的單獨控制實現了飛艇飛行過程中的穩定性控制，因而不需要在分段囊體上安裝舵面等平衡機構。和許多軟式飛艇類似，囊體內部包括球形副氣囊，其中，第一段囊體中充入氦氣，產生的靜升力是艇體升力的主要來源，第一段下部附著的小型推進器提供推力和偏航力，其他三段由鉸鏈連接，用以維持艇體的穩定性（如圖3所示）。

「蠕蟲」飛艇相比於傳統飛艇具有很多獨特的優勢。傳統的軸對稱橢球形飛艇為了承受氣動彎矩需要高壓差，高壓差意味著高的蒙皮張力，因而提高了囊體結構重量。而分段式蠕蟲狀飛艇降低了艇體飛行過程中所受的氣動力和氣動力矩，從而降低了保持艇體外形所需要的內外壓差；艇體結構重量的均勻分布，降低了靜態載荷；同時無舵結構進一步實現了載荷的均勻分布和降低結構重量。另外，由於該飛艇的特殊外形，當遇到強風時，不會像氣球那樣無法控制姿態，而會隨著風向和風勢自由擺動（如圖4所示），這樣可以很好的維持自身的穩定性和機動性能。

圖4 Sanswire-TAO（STS-111）風中的工作狀態

Sanswire-TAO（STS-111）多節柔性超輕型飛艇可以攜帶高解析度偵察相機或者其他遙感設備，在目標上空約5000米的高度盤旋，再加上它極高的隱蔽性，幾乎無法被雷達探測到，是一個很好的「看不見」的空中監視器。除此以外，Sanswire-TAO公司開展了多次演示驗證試驗，並且在STS-111型號的基礎上，又推出了STS-230型號，預計艇長約70米，最大直徑7米，可在9000米高度的任務環境中穩定工作6天。從此，「蠕蟲」飛艇家族中的成員逐漸龐大起來。

2011年，斯圖加特大學和Sanswire公司終止了合作關係。Sanswire公司在已有基礎上繼續開展研究工作，並將項目更名為Argus。Argus的首個試驗艇「百眼巨人」（Argus One）於2011年11月完成首次飛行試驗。Argus One 長33.3米，直徑3.3米，由相互連接的多個模塊組裝而成（如圖5和圖6所示），分節設計，結構更加靈巧。

圖5 Argus One 「百眼巨人」發放

圖6 Argus One 「百眼巨人」空中工作狀態

「蠕蟲」飛艇跟它的名字一樣，多段式的艇身就好似一條在空中漂浮的蠕蟲，隨著風向和風勢的變化自由擺動。從外形上看，極具創意的總體設計給人耳目一新的感覺，同時從仿生學上看，飛艇模擬了蠕蟲向前蠕動的運動方式，減少了自身的氣動阻力和氣動力矩，而且也減輕了自身的結構重量，提高了自身的穩定性和機動性能。可見，「蠕蟲」飛艇是飛艇界真正意義上的蠕動精華！