临近空间低速飞行器螺旋桨技术

杜绵银，陈 培，李广佳，周 波

(中国航天空气动力技术研究院，北京 100074)

摘 要：临近空间飞行器因其显著特点和潜在的军、民两用价值而成为当前各国研究的热点。螺旋桨推进是低速临近空间飞行器的主要推进动力方式。本文介绍了临近空间发展、螺旋桨的发展及其在低速临近空间飞行器特别是高空飞艇及高空太阳能无人机上的应用，分析了低速临近空间飞行器螺旋桨设计、试验、制造的技术特点及技术难点。

关键词：临近空间；螺旋桨；平流层飞艇；高空长航时无人机

引 言

未来战争是空天地海电磁五位一体的体系对抗，空天是重要的战略制高点，图1显示了各个高度范围人类研制和构想的各种空天飞行器。距地面20km以下的范围是传统航空器主要活动区域，100km以上的太空则是航天器的运行空间。而介于两者之间即20~100km的临近空间，该空域大气稀薄、气象活动较弱包括了大气层中对流层顶、平流层、中间层和热层下边界，由于技术和认识上的原因，长期以来是一个相对独立的“和平地带”，各国均未给予太多关注。目前，随着航空航天技术的统一和融合，临近空间作为一个新兴的技术领域，其重要的战略价值日益受到世界各国的高度重视。美国、俄罗斯、欧洲、韩国、英国、日本、以色列等国家纷纷投入大量的经费，积极开展临近空间飞行器的技术与应用研究。但从发展总体水平上看，国外临近空间飞行器技术仍处于关键技术攻关与演示验证阶段，要获得较高的军用价值仍需实现关键技术上的突破[1]。

行高度涵盖20~100km，一般以火箭或吸气式发动机为动力，主要包括超声速飞机和巡航导弹，高超声速巡航导弹、高超声速滑翔导弹和可重复使用的空天飞行器等，如美国的X-43A（图2）。临近空间低速飞行器主要包括高空气球、平流层飞艇（图3）和高空长航时无人机（图4）等，飞行高度约20~30km，飞行速度为低速和亚声速。

图

2 X-43A

图3 洛马公司的高空飞艇想象图

图1 空间飞行器概念示意图

图4探路者高空长航时无人机

临近空间飞行器特指能在近空间作持续飞行并完成一定使命的飞行器，具有突防能力强生存力高和应用范围广的特点，能执行快速远程投放、侦察、监视、预警、通信中继、导航和信息干扰等诸多任务[2-3]。按飞行速度，临近空间飞行器可分为高速飞行器和低速飞行器两类。临近空间高速飞行器又可分为超声速和高超声速飞行器，飞

高空气球由于没有动力装置，易受风力影响，无法实现定点和机动，其应用价值有限。平流层飞艇和高空长航时无人机大多以太阳能电池和燃料电池提供能源，驱动螺旋桨产生推力来克服空气阻力。与传统飞机相比，留空时间长，覆盖范围广，制造和运行维护费用低；与卫星相比, 由于临近空间飞行器运行高度低,容易实现高分辨