摘 要 常规布局飞艇能源系统存在结构质量占比高以及光伏面板引起的艇身超温、超压等问题，设计并评估了一种中轴通气的聚光飞艇布局。通过结合波浪形线性菲涅尔透镜和复合抛物面聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC）设计，使得单轴跟踪下的全天聚光效率可达57.3％；同时，借助飞艇通气中轴的引射气流，可有效避免聚光光伏面板的超热问题。基于现阶段光伏发电技术、储能技术的综合分析，提出了以氢燃料电池储能、使用聚光架构的中轴通气聚光发电飞艇布局。整体发电效率方面，中轴通气聚光飞艇折合发电效率19%，高于普通薄膜晶硅电池系统约33%，且聚光光伏飞艇方案在不同负载下全系统尺寸质量、成本均显著低于常规飞艇方案。该飞艇布局方案可为临近空间飞艇的整体设计提供有益参考。
关键词 飞艇；中轴通气；聚光；菲涅尔透镜；复合抛物面聚光器
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1 引 言
近年来，随着对临近空间战略意义认识的加深，以美国为主的世界各航空航天大国竞相发展各自的临近空间飞艇。美国国家航空航天局（NASA）、法国空间研究中心（CNES）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、欧洲航天局（ESA）等知名航空航天研究机构和商业公司都阶段性地大力度投入对临近空间飞行器的研发，其中典型临近空间飞艇方案有HAA高空飞艇、高空哨兵（HiSentinel）、快速初始部署浮空器（RAID）、攀登者（Ascender）飞艇和黑暗空间站（Dark Sky Station）、平流层载具（Stratobus）、Sceye公司的高空平台（High Altitude Platform Station）等［
但现有常规架构的飞艇设计研究受制于当前的工业技术水平，即使是欧美等发达国家设立的HAA、HALEAP等高空飞艇研发项目，目前也皆由于进展缓慢而缩减或暂停研究计划。常规艇身布局的飞艇能源系统必须围绕高空环境的太阳能辐射进行设计，通过飞艇囊体顶部太阳能电池系统、蓄电池组和电源控制器实现能源自给，如图1所示。
图1 顶部太阳能电池的常规飞艇结构分解示意图[4]
Fig.1 Schematic decomposition diagram of conventional airship structure with top solar cells[4]
在现有技术条件下，常规的平流层飞艇循环能源系统由太阳电池阵、储能电池及电源管理系统构成，具备能源产生、转换、存储、管理和配置等功能，为平流层飞艇提供稳定且不间断的能量供给。白天，由太阳电池阵对平台和有效载荷供电，同时为储能电池充电；夜间，由储能电池为飞艇供电，满足平流层飞艇长期驻空的能源需求。但太阳能电池阵列布置在囊体顶部带来了两个显著的问题：
（1）太阳能电池质量与成本问题。太阳能电池有限的光伏发电效率（综合效率<20%），使得电池的铺设面积要求较高，因此带来太阳能电池组质量占比较大、飞艇体积和抗风飞行所需能耗进一步增大的问题，给飞艇总体设计和尺寸、成本控制都带来了显著的挑战；
（2）太阳能电池引发的飞艇超温超压问题。太阳能电池高效的光吸收效率和有限的发电效率，会造成电池板附近产生高温，不但会对太阳能电池的发电效率产生负面影响，而且会对飞艇艇身内部造成显著的热负荷，引起飞艇超温、超压［
图2 常规构型飞艇蒙皮顶部超热现象[11]
Fig.2 Superheat phenomenon on the upside of the envelope of a conventional airship[11]
由于飞艇的体积巨大，艇体耐受的超压十分有限，艇身可承受的超压值随着直径增大迅速降低。考虑飞行过程中艇体的安全、降低氦气渗漏速度，必须将氦气超热程度控制在315 K以下［13］。
针对太阳能电池带来的飞艇超温、超压问题，刘婷婷［11］曾提出了在太阳能电池下部设计1 cm高度量级的散热风道，以降低太阳能电池背板温度并形成与囊体之间的隔热层。但该方案会带来散热风道对流结构质量、艇身阻力影响、风道强迫对流能耗损失等不利影响。因此，飞艇顶部直接布设太阳能电池带来的超温、超压问题当前没有较好的工程解决方案。
考虑到常规布局飞艇能源系统存在结构质量占比高和光伏面板引起的艇身超温、超压等问题对飞艇设计和控制带来的挑战，设计一种具备更高太阳能利用效率、规避光伏面板在艇身内部产生的超温、超压影响的飞艇构型，将有助于降低临近空间飞艇技术复杂度，为飞艇总体设计提供有益参考。
2 单轴跟踪高效聚光设计
临近空间飞艇的飞行环境主要考虑到利用平流层底部的准零风速层。统计结果表明：在中国多数地区准零风层一年中有3个月平均风速小于10 m/s，6个月平均风速小于15 m/s。准零风层为平流层飞艇长期驻空飞行提供了有利的环境条件，是平流层飞艇长期驻空飞行的理想区域［40-41］。稳定的高空风是飞艇气动阻力的主要来源，也是飞艇能源系统的主要负载。估算显示，20 km高度上，36 m直径抗风飞行的飞艇其推进系统功率在60 kW量级，这一功率远高于预警机的雷达系统功率（美国E3预警机AN-APY-1/2雷达平均功率10 kW）。因此，飞艇的能源系统设计与优化，必须依托于现有的椭球形低气动阻力外形，尽可能降低系统整体能耗。针对当前晶硅薄膜太阳能电池光伏效率有限，而非晶硅砷化镓电池在非聚光情形下造价昂贵的现状，必须考虑聚光下的高效发电方案。
2.1 飞艇飞行环境与单轴跟踪技术
根据太阳辐射相关理论模型，一日内的太阳运行方位角可以以太阳时角、太阳方位角和太阳高度角进行表示。太阳时角从日出至日落变化为-90°~90°，15（°）/h；太阳方位角
表示太阳与目标之间连线在水平面投影与正南方向的夹角；太阳高度角
表示太阳与目标之间连线与水平面之间的夹角。太阳的即时辐射强度由太阳高度角
决定，太阳光的入射角度由太阳方位角
与太阳高度角
共同决定［14］。
临近空间大气环境下，常年存在稳定的高空风，且风向多为东西向。这样的飞行环境使得飞艇飞行姿态长期保持主轴东西向，聚光系统可以参照地面的槽式聚光系统原理，仅对太阳高度角一个因素进行跟踪即可［15］。泰雷兹阿莱尼亚航天公司最初设计的Stratobus以及Sunrise公司的太阳能热动力飞艇（Sunrise Solar Powered Thermal Airship）项目（如图3所示）均采用艇身外侧设计弧形滑轨、吊舱在滑轨上移动实现艇身周向角度调节，这一方案在结构质量、能耗和工业技术成熟度上都具备可行性［1，16］。
图3 Sunrise公司的太阳能热动力飞艇示意图[16]
Fig.3 Schematic diagram of Sunrise's solar-thermal powered airship[16]
2.2 波浪形菲涅尔透镜聚光效果
常见的聚光器中，适用于飞艇环境的聚光方案主要包括菲涅尔透镜和复合抛物面聚光器（Compound Parabolic Concentrator，CPC），分别对应中高倍聚光（>5）和低倍聚光（<2），二者组合具有相对较高的聚焦倍数和较低的太阳方位跟踪要求。由于飞艇艇身为具有一定长细比的旋成体，因此，考虑使用线性聚焦的菲涅尔透镜与轴线布设的CPC组合，来实现聚光。
对于大尺寸透镜，离轴大角度的光源入射会造成显著的像差。本节对不同太阳入射角度（高度角和方位角）下的聚光效率进行仿真与分析。其中，纵向倾斜入射角度是指位于法向-轴向平面的入射光线与法向的夹角，横向入射角度β是指位于法向-横向平面的入射光线与法向的夹角，两种倾斜入射方向如图4所示。
图4 光线倾斜入射角度定义
Fig.4 Definition of oblique angle of incident rays
当光线横向入射角度大于临界角1.9°时，CPC底部接收面几乎接收不到入射光线。因此实际应用中，需要将太阳能高度角跟踪精度控制在1°以内，这一要求对于大尺度旋成体的飞艇而言是容易满足的。
当光线的纵向入射角从0°（垂直入射）逐渐增大时，聚焦焦点位置逐渐变短，导致大角度情况下，小尺寸CPC无法聚焦到有效能量。大纵向入射角下的CPC底部归一化辐照度分布如图5所示，可以看到光斑在CPC底部高亮区域近40%，可增设匀光设备防止电池因受热不均而效率低下或破裂。不同角度下的聚光效率如表2所示，聚光效率从垂直入射的76.8%迅速下降降低到15°情况下的31.6%。这样有限的纵向入射偏角收集范围无法满足聚光系统白天长时段有效跟踪的需求。
结合仿真结果和聚焦焦点分析显示，小尺寸CPC在光路接收时不能满足对大纵向入射偏角情况下光能的有效收集，同时大纵向入射偏角情况下菲涅尔透镜的像差问题在入射角大于40°之后急剧恶化。因此，对前述光学器件结构进行修改：（1）将CPC放大至底部宽度65 mm，与菲涅尔透镜叠加CPC系统形成聚光比9.2的低倍聚光系统；（2）将菲涅尔透镜沿轴向进行周期性偏转，形成夹角120°的周期性波浪形曲面菲涅尔透镜；（3）将CPC聚光系统与透镜的距离缩短至500 mm，缩短大纵向入射偏角时的CPC与焦点之间的距离。
菲涅尔透镜的加工经验显示，有机玻璃材质的菲涅尔透镜可以在0.2 mm间距的情况下仍保证条纹精度。因此，考虑波浪形菲涅尔透镜的波浪间距为0.2 mm量级时，表面突出高度在0.1 mm，在低风速下仍可以视为气动光滑，并不会对飞艇外蒙皮的粗糙度产生显著影响。
根据光路仿真结果，如图6~图8所示，可以得到不同纵向入射偏角时波浪形菲涅尔透镜的太阳光效率，如表3所示。可以看到，波浪形菲涅尔透镜具有更大的有效纵向入射角范围，在70°纵向入射角度下仍具有13.43%的聚光效率，即聚光太阳能系统可以在日出后1 h、日落前1 h的低太阳高度角情况下开始发电，飞艇全系统的发电时间延长，可以大大减小飞艇储能系统的容量需求，为飞艇的轻型化、小型化设计提供便利。结合春分日太阳辐射强度分布值，可以估算当前聚光设计架构一日有效直射太阳辐射的整体收集率约为57.3%。
图6 波浪形菲涅尔透镜纵向0°入射角下的聚光效果图
Fig.6 Focusing diagram of a wavy Fresnel lens at a longitudinal angle of 0°
图7 波浪形菲涅尔透镜纵向20°入射角下的聚光效果图
Fig.7 Focusing diagram of a wavy Fresnel lens at a longitudinal angle of 20°
3 中轴通气聚光飞艇总体设计
聚光太阳能飞艇概念模型，其主要特征在于艇身上表面存在大面积透光区域，使得太阳能可以穿透艇身外蒙皮，在艇身内部实现对太阳光的高倍聚焦。但艇身内部光伏效应可能使其浮升气体升温，对飞艇的温度、压力控制带来了新的挑战。因此，聚光发电情形下为避免出现飞艇超温超压现象，必须使飞艇聚光后的光伏发电、光热转换过程在飞艇外流中进行，以便充分散热。根据聚光光伏的结构设计，可以考虑将CPC放置在飞艇的通气中轴内，利用引射气流进行散热。
3.1 中轴通气聚光飞艇布局设计
高空抗风飞行是飞艇气动阻力和能量消耗的主要原因，但高空低温气流也是飞艇艇身对流传热的有利条件。叶正寅、李国民［
在不考虑艇身光路对飞艇带来的热力学影响的情况下，参照地面透射式菲涅尔聚光系统设计，聚光太阳能飞艇的总体设计思路为：艇身整体作为透镜实现聚焦+CPC二次聚焦+高效光伏发电，飞艇结构外观如图9所示，聚光光路示意如图10所示。具体包括：
图9 多级聚光通气飞艇结构概念图
Fig.9 Structural diagram of a central axis ventilated multi-stage solar concentrated airship
图10 聚光通气飞艇光路示意图
Fig.10 Optical path diagram of a central axis ventilated solar concentrated airship
3.2 中轴通气聚光飞艇气动优化
受叶正寅、李国民［
图11 中轴D/9通气孔飞艇温度场
Fig.11 Temperature field of an airship with D/9 ventilated tube
此外，飞艇带中间轴通气孔构型可以将飞艇的推进系统后置，则螺旋桨对来流的引射可以进一步减小飞艇艇身的压差阻力，引射气流在飞艇艇身后段形成顺压梯度，对抑制后段表面的湍流边界层发展、降低摩擦阻力也有积极意义。
3.3 飞艇储能系统分析
4 中轴聚光临近空间飞艇性能分析
4.1 飞艇总体设计方法
飞艇的总体设计过程与飞机基本类似，从质量估算开始。高空飞艇设计时，最初已知设计要求为驻空高度、最大飞行速度、任务载荷和任务系统能耗等，初步总体参数设计阶段要从这些设计要求出发求得各分系统的初始质量。飞艇的设计中需要考虑质量和浮力的平衡、发电量与耗电量之间两方面的平衡关系［
传统的飞艇初步设计阶段，确定飞艇参数的方法步骤如下：
（1）确定高空飞艇的基本外形，通过CFD或工程估算确定其阻力系数Cd，给定初始飞艇面积Sev和体积Veq；
（2）计算所需的抗风功率PD、结构质量mst、储能系统质量mfc、动力系统质量mps、机载设备及冗余系统质量meq和能耗Peq，以及任务载重Ppl和功耗Ppl等。给定初始太阳能电池面积Ssc、光电转换效率系数ηev和光能利用率（布片系数）λ；
（3）计算太阳能电池质量msc，根据驻空区域的太阳辐射强度ES，计算白天Tirr时间段内太阳电池输出的电能，并计算夜间电池需要补充的电能，考虑转换效率ηe后得出储能电池质量；
（4）若太阳能电池与储能电池输出的电能无法满足昼夜抗风所需的能量E，增大太阳能电池面积Ssc；若太阳电池与储能电池输出的电能超出昼夜抗最大风速所需的能量，减小太阳能电池面积Ssc。转步骤（3）；
（5）若太阳电池面积增大到超过飞艇上表面的某一百分比（根据飞艇的形状确定），增大飞艇的体积，转步骤（2）；
（6）若浮力小于结构、动力推进系统、太阳能电池、燃料电池、任务系统与机载设备质量之和，增大飞艇体积，转步骤（2）。
该方法迭代存在迭代繁琐、计算效率低的问题。在本项目研究中，将各部分质量、功率等参数换算为与飞艇外形尺寸相关的表达式，或者设定为固定常数，然后通过符号计算进行飞艇尺寸的设计。在飞艇设计符号计算程序中，对飞艇质量和能量平衡关系进行建模分析，就可以得到飞艇外形、发电系统效率、能源存储系统效率对于飞艇总体设计的影响。
以采用氦气为浮升气体情况下，浮力与飞艇总质量平衡、发电量与用电量平衡为例
| （1） |
| （2） |
| （3） |
4.2 飞艇飞行参数设定
在飞艇性能分析中，将飞艇的设计飞行高度确定为20 km，对应的日平均风速为20 m/s。根据标准大气模型，该高度大气日均温度为216.65 K（近似为-57℃）、大气压为5529 Pa、大气密度为0.089 g/m3。大气成分与地面相近，平均分子量为29。
大气层外标准太阳辐射强度I0为1367 W/m2，具体到20 km高度上，由于高层大气稀薄、云物理过程较少，在建模评估中忽略大气透射与散射的影响，大气透过率接近于1（约为0.979）。由此，可以估算20 km高度接收到的太阳直接辐射强度ITop为
| （4） |
式中，为太阳高度角。光照环境的估算按照北纬30°、东经80°的我国中低纬度春分日为例进行计算。
飞艇基本外形参照Skyship600的基础外形，长细比约为4，阻力系数0.0724。飞艇建模中，涉及的结构和能源系统性能参数指标，参照文献资料中目前研究/验证型飞艇的先进技术指标给定，具体包括：
（1）蒙皮性能：轻量化蒙皮参照日本平流层平台（SPF）项目蒙皮面密度114 g/m2，拉伸强度>300 N/cm；
（2）晶硅薄膜太阳能电池效率17%，面密度0.7 kg /m2，考虑蒙皮顶部铺设的布片系数0.85；
（3）砷化镓太阳能电池效率28%，面密度2.2 kg /m2，考虑蒙皮顶部铺设的布片系数0.85；
（4）聚光情况下砷化镓太阳能电池效率35%，包含CPC结构和当量厚度5 mm的PMMA匀光层在内的面密度7.2 kg/m2；
（5）锂离子电池系统：储能密度0.6 MJ/kg，循环能量利用率95%；
（6）氢燃料电池系统：储能密度9.7 MJ/kg，循环能量利用率37%；
（7）推进系统：按照航模用电机+螺旋桨的推进系统比重约为130 g/kW，当前低空螺旋桨的推进效率可达80%~90%，而由于高空低雷诺数影响，高空螺旋桨的效率仅有50%~60%，此处按照55%进行估算；
（8）氦气：按照纯氦气估算，分子量为4；
（9）任务载荷分为轻型载荷和重型载荷，对应功率和质量分别为：1 kW-15 kg，5 kW-500 kg；
（10）设定为全天抗风20 m/s驻点飞行。
4.3 中轴通气聚光飞艇性能分析
5 结 论
针对常规布局飞艇能源系统存在结构质量占比高和光伏面板引起的艇身超温、超压等问题，设计并评估了一种中轴通气的聚光飞艇布局。通过结合波浪形线性菲涅尔透镜和复合抛物面聚光器设计，使得单轴跟踪下的全天聚光效率可达57.3％，结合35%的多结太阳能电池的发电效率可达19.3%。这一效率相比晶硅薄膜太阳能系统提高近33%。同时，借助飞艇通气中轴的引射气流，可以有效避免聚光光伏面板的超热问题。
通过对中轴通气聚光飞艇进行总体设计建模分析，发现聚光光伏方案在不同负载情况下，功率全系统尺寸、质量、成本均显著低于常规飞艇方案。
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