中国特种飞行器研究所 罗战虎 448035
摘要：飞艇的平衡重量是总体参数的一项重要指标，是指在某一高度时，其所受到的总浮力与气囊内气体质量之差，而在实际升降过程中，飞艇气囊内的空气质量是随高度变化的。本文通过对飞艇的平衡重量的研究和分析发现，飞艇的平衡重量具有在不同高度下的变化非常小的特性，而基于这一特性，本文给出了一种基于平衡重量的飞艇重量设计目标定义方法，并基于某飞艇进行了实例验证，结果表明，以平衡重量作为飞艇重量设计目标是可行的。
关键词： 飞艇 平衡重量 压力高度 重量设计
1.前言
飞艇是一种利用轻于空气的气体（如氦气、氢气等）产生浮力升空的飞行器，其具有可垂直起降、定点滞空时间长、载荷能力大、噪声低、能量消耗小、安全性高、使用维护成本低、雷达散射面积小等特点，飞艇在反恐、巡逻、监察、空中测绘、地质勘探、旅游、广告和体育运动等军民用领域有着广泛的应用，在某些重要领域，已成为卫星、飞机优势互补、不可替代的空中平台。近几年来，在军民用市场的迫切需求引导下，国际上对飞艇技术的研究和开发方面投入不断增加，使飞艇研制各方面技术取得了长足的进步。
飞艇因其设计原理和特点，其性能受到内外环境因素影响较大，从而导致其总体参数尤其是重量设计较为复杂。截至目前，关于飞艇重量设计方面的文献非常少，仅在部分专著[1]中有一些概念性的涉及，但均缺乏详细的设计方法。
准确的重量数据能帮助设计人员做出正确的决策，提高设计质量，飞艇重量目标定义是否准确关系着项目设计的成败，在飞艇设计初期，如果飞艇的空重等重量指标分配过大，那么飞艇就会失去经济性，进而失去竞争力，将很难投入市场。但是如果空重指标分配过小，后期设计时发现重量不满足要求，必然导致飞艇超重，严重的还会导致重新设计，这就会导致大量附加成本。因此在项目初期准确地定义飞艇重量设计目标是非常必要的。而截止目前，业界尚没有一种合理有效且得到行业广泛认可的飞艇重量设计目标定义方法。飞艇平衡重量是飞艇有别于传统固定翼飞行器的一项重要指标特性。研究发现，对特定飞艇方案，平衡重量在一定条件基本保持不变，具备作为重量设计目标的特性。本文提出并推导了一种基于平衡重量的飞艇重量目标定义方法，并以某飞艇实例进行了该方法可行性和合理性的验证与分析，结果表明，平衡重量是一种非常有效的飞艇重量目标定义方法，可有效提高飞艇重量设计目标定义的准确性。
2.飞艇主要重量分类与定义
目前，关于飞艇重量的分类和定义尚没有一个统一的标准或规范，为方便开展飞艇重量重心工作，本文根据常规飞机重量的分类和定义方法，结合飞艇特点，给出了相对实用的飞艇重量分类和定义方法。具体如下：
基本空重
基本空重()是指所有结构部件、动力系统、机电系统、平衡系统、航电系统、任务载荷系统（不包括用于装卸的可移动部件）的重量之和。
商载
商载是指任务载荷系统和任务载荷(Wpayload)重量之和。
干重
干重(WD )的定义为
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为了能清晰的理解各重量定义，各重量定义及组成见示意图1。
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图 1 重载飞艇重量定义示意
3.基于平衡重量的飞艇重量设计目标定义方法
3.1.大气模型和浮升气体模型
标准大气气体特性可由下式的温度-高度曲线定义：
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其中，
——标准海平面上的大气密度，=1.225
内部浮升气体
飞艇内部通常填充轻于空气的浮升气体。在实际使用中，现如今最常使用的浮升气体是氦气。一般来说，氦气的纯度不可能达到100%，往往含有一些以空气形式存在的杂质，通常以百分比的形式表示气体的纯度。例如：纯度为98%的氦气是指浮升气体中氦气的体积为98%，空气的体积为2%。因此，海平面标准大气压下的氦气密度为
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其中，是以小数形式表示的氦气纯度百分数（如纯度为98%，则=0.98）。
因重载飞艇采用零压设计，因此，浮升气体的压力等于外界大气压力。浮升气体与空气之间的温差（过热）对系统的影响较大，同时由于在操作时不断变化，对飞行也有重要影响，所以必须考虑，由气体定律可得
其中， .png)
——稳定飞行状态下，艇囊内外气体的温度差（过热），。
飞艇在开始飞行时会发生过热，随后飞行早期阶段会逐渐减小或消失。
如果飞艇在起飞时正过热，则将导致气囊内部气体密度降低，同时净体积将增加，这使得升力有所增加。但是，在飞行过程中，过热现象将减小并朝相反方向发展（即升力减小，静重增加）。如果开始没有考虑过热的影响，那么在着陆时飞艇的最大静重将超出限制。因此，在起飞时就必须确定由过热引起的升力值。
相反的，如果开始时飞艇为负过热，那么就会出现与上面所述相反的情况。无论是在起飞、降落、还是在飞行过程中，都要考虑温差对飞艇的影响，以确保温差不超过设计与操作极限。过热的影响很重要，因此有必要尽可能精确的确定它的大小。
湿度，是表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下，在一定体积的空气力含有水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，空气越潮湿。相对湿度是空气中实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压之比的百分数。通常情况下，大气不是完全干燥的，其因气候的变化而含有一定的水汽，因此，在进行与大气密度相关的设计与分析时，需考虑湿度的影响。
下式给出了考虑相对湿度的大气密度和氦气密度计算公式
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3.2. 飞艇平衡重量估算方法
飞艇平衡重量是指除飞艇内部气体（浮升气体和空气）外的所有重量之和。因此，飞艇平衡重量可以由下式估算：
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3.3.飞艇平衡重量参数相关性分析
3.4.飞艇重量设计目标定义方法
一般来说，飞艇方案设计阶段，必须定义一个合适的重量指标作为飞艇研制全过程重量控制的依据，该重量指标需具备以下特性：
1)在方案确定后，该指标必须是一个相对固定的值；
2)该指标不受飞行高度、使用环境变化影响；
3)其定义必须便于所有利益相关者理解与控制；
4)必须能反应飞艇本身的基本能力。
基于以上几点假设，符合要求的飞艇重量类型主要有飞艇平衡重量、干重、有效载荷等；当飞艇体积确定后，飞艇平衡重量只取决于飞艇内部填充的氦气量、氦气纯度和飞艇升限限制；而平衡重量确定后，则可根据有效载荷能力需求，估算出飞艇干重设计控制目标，从而为飞艇研制提供重要参考依据。
4.结论
平衡重量作为飞艇的一个固有特性，其主要与飞艇体积和环境温度、超热、氦气纯度等因素有关，在飞艇研制过程中，当飞艇体积确定后，在标准大气环境下，平衡重量将是一个相对固定的常量，其可以作为飞艇各系统及组成部分重量分配的基准，以其作为飞艇重量设计目标，可有效提高飞艇重量的可控性，预防飞艇研制过程中重量失控的风险。
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