文|創瞰巴黎 Pablo Andres

編輯|Meister Xia

導讀

飛艇誕生于19世紀末，由于舊時代技術的落后，飛艇在一場慘痛的空難之后逐漸退出歷史舞臺。縱然飛艇在安全性、控制性中具有很大的缺點，但其仍然擁有不容置疑的優勢。百年來，隨著技術和材料發展的突飛猛進，飛艇是否能再次出現在大眾的視野？需要克服什么樣的風險和難題？未來飛艇又將在哪些領域大放異彩?

一覽：

• 飛艇與其他交通工具相比具有不可否認的優勢，有望重返歷史舞臺。
• 由于飛艇太輕，容易受到危險和惡劣天氣的影響，因此必須開發更精確的天氣預測和飛行控制技術。
• 計算機模擬、堅固的新材料、風力預測工具等新材料的出現，使得新型飛艇成為可能。
• 飛艇不會取代大規模的傳統航空運輸，但可以在旅游業或短途運輸中發揮作用。
• 法國飛艇公司Flying Whales（飛鯨）和法國泰雷茲集團等幾家企業對開發新型飛艇有著濃厚興趣。

飛艇通常被認為是舊時代的技術。當它們在19世紀末問世時，在全球引發了轟動：利用巨大氣球的浮力，飛艇可以以超過130公里/小時的速度飛行，不到60小時就能橫跨大西洋。

但飛艇最終卻是在一場慘痛的悲劇中淡出歷史舞臺：1937年，美國新澤西州上空，興登堡號巨型飛艇（長度與埃菲爾鐵塔高度相當）發生事故，熊熊燃燒并墜毀。這場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勢，這次事故也并沒有影響人們對它們性能卓越的評價。

在法國國立高等先進技術大學（ENSTA）流體力學教授Olivier Doaré指導、博士生Robin Le Mestre撰寫的一份論文中，模擬了外部和內部氣流對飛艇飛行的影響[1]。該課題有望促進飛艇的復興。Doaré指出：“災難早在一個世紀前就已結束，百年來技術突飛猛進。”

01 易受風力影響的飛艇

興登堡號給氣球充的是氫氣，一種高度易燃的氣體。設計飛船的德國工程師為什么不使用安全、不易燃、廣受推崇的氦氣？這是由于當時的地緣政治背景：美國希望在氦氣技術上保持領先地位，壟斷了氦氣市場，故德國制造的興登堡號只得選用了氫氣。

Doaré解釋道：“如今，出于安全考慮，絕大多數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。”然而，氫燃料飛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的情況下，氫可以同時作為載氣和燃料。”

使用這兩種氣體是因為它們比空氣輕。Le Mestre解釋道：“根據阿基米德浮力原理，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。這在當前提倡低碳環保的大背景下是一個相當大的優勢。但飛艇為保持輕盈，機械原件不能有太多的保護層，暴露在變幻莫測的大氣中，這也是一種局限性。”

因此，如果想要讓飛艇重返歷史舞臺，必須充分掌握并克服相關氣象風險。Le Mestre表示：“這就是我論文的主要內容。新型飛艇必須有更精確的預測和控制手段，才能更好地抵御風力作用。”

這篇論文引起了法國航空航天研究院（ONERA）的注意。該院的研究員Jean-Sébastien Schotté協助ENSTA團隊開發了氣象預測工具。據Schotté介紹：“對飛艇的可變形結構和周圍氣體流動之間的耦合進行更好的建模，就能更準確地模擬飛艇遭遇陣風等氣象狀況時的實際飛行路徑，有助于未來飛艇的設計和建造。”

02 飛艇的復興有賴于先進軌跡預測技術

如今不僅數字模擬技術突飛猛進，材料設計也日新月異。Schotté說：“現代材料更耐磨、更防水，而且更輕。” Doaré說：“如今的風力預測工具種類多樣，非常有效。”一個例子是激光雷達技術，可用于風力預測，目前已安裝在風力發電廠里，優化發電控制。這種技術也可用于飛艇。“然而，為了預測飛艇的實際軌跡，保證安全，還必須考慮風力之外的諸多環境因素。即使使用當下最新的技術手段，也很難在計算機上完美地模擬飛艇的飛行軌跡。”

納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程是流體力學的基本方程。它能描述最復雜的流體運動，包括飛艇所處的大氣環境。但是N-S方程過于繁瑣，不適合完整模擬飛艇等大型柔性結構的飛行。Le Mestre解釋道：“因此，課題的第一步是簡化納維-斯托克斯方程，只保留其最基本的元素。我們對所研究的每一對相互作用都提出了假設，推導出多個合理簡化的N-S方程，這樣就能通過數學運算符對系統進行數字建模。”

“根據阿基米德浮力原理，飛艇不需要任何能量就能懸浮在空中。”

利用上述簡化思路，研究者們成功地對飛艇的飛行進行了建模，模型既準確，又支持快速計算。未來，工程師們希望以此模型為基礎改良飛艇控制系統，更靈敏地響應實際外部環境。Doaré說：“傳統飛機質量大，發動機的動力也大，如果飛行員想左拐，無論風向如何，他都能控制飛機向左飛。”飛艇恰恰相反：輕飄飄，發動機動力小，所以控制系統的優化必須考慮風力作用。

Le Mestre的課題還在繼續，未來希望幫助制造商開發基于實時風力數據的飛行軌道控制預測工具，升級飛艇設計。

03 飛艇有望在特定場景發揮作用

體積太大是飛艇的一個缺點。飛艇分軟式（氣球無骨架）和硬式（氣球有骨架）兩種。軟式雖沒有安全優勢，但相對載重量大。然而與飛機相比，要運送相同數量的乘客或貨物，飛艇的體積仍大太多。Doaré承認：“我個人不認為飛艇會取代飛機。首先是因為龐大的航空業難以輕易顛覆，其次是因為飛艇結構尺寸的缺點。”

事實上，如今的機場僅僅是起降飛機就已經夠占空間。專為飛艇建設的機場所需的空間將大得離譜。飛艇客運只適合在小范圍內開展，在特定場景中發揮優勢。Le Mestre 說：“在旅游業中，飛艇可以成為類似熱氣球的游覽項目。”在交通業中，飛艇可以應用于短途運輸。世界各地有許多沒機場的島嶼，飛艇也能派上用途。

小知識：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與飛艇類似。ENSTA論文的結果同樣適用于它們。

系留氣球可執行觀測任務。例如軍事偵察、生態地形勘探或簡單的漁業監控，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，很適合在敏感地區快速運輸部署。

在惡劣天氣下精準控制飛艇的飛行，并準確預測飛行軌跡，能增加飛艇在空中的穩定性。結合其低能耗的優勢，浮空器即使面對競爭對手無人機也能有一拼。

Le Mestre說：“新型浮空器技術并不是要取代大規模的航空運輸，但它有許多優勢，可以在特定領域大放光彩。雖然剛才說飛艇相對載重量小，但也能運載幾十噸的貨物。”在一些對運輸時間長短不敏感的行業，飛艇可以有用武之地。

目前法國的飛鯨公司對ENSTA的課題表示出了興趣。Le Mestre補充道：“該公司想在幾年內開發出一種新型飛艇，用于在山區森林等人跡罕至的地區運輸貨物。”用飛艇往返偏遠森林運輸木材比用直升機更高效，因為直升機的載貨量小，成本也更昂貴。

法國航空航天研究院還與法國泰雷茲集團合作，啟動了Stratobus項目[2]，開發能在平流層飛行的飛艇，在監視、通信和國防方面開展與衛星互補的任務。可見，飛艇領域研發活動非常活躍，飛艇技術即將迎來新的未來！