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科幻大片既视感：马格努斯效应浮空器
LTA 20-1浮空器，外形酷似外星人，在设计时采用了一种不同于其他浮空器的推进方式，其设计目的是在几乎任何地方都可运输重物。从各方面来说，这种浮空器都很独特。
马格努斯航空航天公司/弗雷德里克 · D · 弗格森
马格努斯航空航天公司(Magnus Aerospace Corporation)的 LTA20-1具有20世纪80年代太空时代未来主义的所有特征。它的设计看起来非常与众不同，就像《星际迷航:下一代》(Star Trek: The Next Generation)中的外星飞船一样。这种浮空器有一种非常独特的推进方式，它的球形囊体一旦充满氦气，就会旋转起来，把浮空器带到空中，并通过所谓的“马格努斯效应”将浮空器送往目的地。“虽然这个项目现在已经不复存在了，但这是过去40年里轻于空气飞行器的代表，它的历史非常吸引人，也说明人们对轻于空气飞行器的兴趣越来越浓厚。”
LTA 20-1的故事始于20世纪80年代初，当时加拿大发明家兼企业家弗雷德里克·d·弗格森对浮空器的开发和研究产生了浓厚的兴趣。弗格森碰巧是发明家萨缪尔·摩尔斯的玄孙。最值得注意的是，摩尔斯在19世纪中期发明了单线电报系统，并与他人共同开发了摩尔斯电码。
弗格森最初是在范杜森发展公司(Van Dusen Development Corporation)的领导下开发LTA 20-1的，该公司成立于1980年10月。不到一年后，他于1981年9月成立了一家新公司，即马格努斯航空航天公司，并担任公司董事。虽然范杜森公司似乎在1988年正式合并到马格努斯航空航天公司，但在整个1980年代早期至中期，他们的公司在LTA 20-1项目中交替出现。
作为项目启动和运行初期阶段的一部分，弗格森在1981年底为这种浮空器申请了一项专利，名为“浮力气球飞行器”，这项专利随后在1983年初获得授权。该专利的摘要中提到，这种精巧的装置将以一个大的球形气球为特征，充气时具有固定的尺寸，充满比空气轻的气体，如氦气。
弗格森专利中的“浮力气球飞行器”的示意图
根据专利文件，使用像氦气这样的浮升气体“在足够高的压力下，气球的形状和大小基本上不受大气压力和温度的正常变化的影响”，这将允许浮空器在恶劣的天气条件下停泊，并搭载货物。
该专利解释说，球形气球将“可旋转地安装在一个水平轴上，两端从气球的两侧伸出。”在主球体内部和连接在轴上的一个囊体，将通过提供飞行调节和空气压舱来改变飞行器的浮力。
专利中浮空器的前后视图
此外，外形奇特、高度流线型的“刚性负载支撑轭”，包括从“中心负载接合装置”(如吊舱)向上延伸的两个机械臂，将悬挂在水平轴上。如下图所示，机械臂将携带燃气涡轮发动机，驱动可旋转的管道吊舱中的可变螺距螺旋桨。发动机被设计用于协助垂直起飞，并提供向前推进/空中转向。在吊舱的前端，为船员设置了一个面向前方的船舱。机舱将被加压，以允许飞行器能够在高达15,000英尺的高空运行。
浮空器发动机细节图
为了起飞，该飞行器结合了三种升力来源：球提内气体的空气静力升力，矢量推力发动机的动力升力，以及前文提到的马格努斯效应的升力，这与旋转的圆柱或球形物体产生的力有关。这种现象在1852年由德国物理学家和化学家H.G.马格努斯首次描述，当时他正在研究炮弹在空中飞行时为什么会弯曲。
马格努斯效应通常被解释为足球运动员如何绕过防守者的墙踢球，或者网球运动员如何在击球时使用上旋球。当一个旋转的物体运动时，它会对空气施加一个合力，根据牛顿第三运动定律，这个合力会对运动的物体施加一个大小相等、方向相反的力。这改变了物体的轨迹，因为空气会随着运动方向被拖拽。
根据牛顿第三定律，顶部旋转的圆筒“拉动”气流向上，而空气反过来又把圆筒向下拉。
作为他专利的一部分，弗格森为两个独立的浮空器制定了设计规范，一种有一个较小的直径72英尺的气球(命名为72P)，另一种有一个直径160英尺的气球(命名为160P)。这两种型号都能达到每小时70英里的相同空速，尽管两种型号的马格努斯最大升力(以磅计)相差很大——较大的气球为3万磅，较小的气球为6000磅。然而，正如弗格森进一步规定的那样，关于这两种变体的马格努斯升力数据“有待进行大规模实验”。
大约在弗格森申请这项设计专利的同时，马格努斯航空航天公司推出了LTA20-1的缩放测试版。引用弗格森提供的细节，1981年11月30日《航空周刊与空间技术》上的一篇文章报道称，原型机的验证测试表明，这一概念如预期那样得以实现。
文章称，LTA 20-1测试版的长20英尺，高23英尺，耗资250万美元。这笔钱是美元还是加元尚不清楚，按美元计算，1981年的250万美元相当于今天的近880万美元。虽然它的气球是由聚氨酯涂层尼龙织物制成，但《航空周刊》的文章指出，全尺寸设计可能会使用凯夫拉尔。此外，它还表明，相比原型机使用的“双导管涡轮风扇”，全尺寸版本将采用劳斯莱斯Tyne R Ty. 20 Mk. 801涡轮螺旋桨发动机。在进行了原型验证试验(具体细节尚不清楚)之后，马格努斯航空航天公司于1982年开展了一个正在进行的研究项目，以开发该飞行器的空气动力学和结构设计。弗格森与加拿大多所大学签订了合同，开始测试 LTA 20-1的其他次比例模型。多伦多大学航空航天研究所(UTIAS)的亚音速空气动力学小组从1983年开始在他们的风洞中测试了100多种 LTA 20-1的模型配置。他们还制造并测试了一些小型的自由飞行测试件。
球体在多伦多大学测试
弗格森还与渥太华卡尔顿大学的一个团队签订了合同，建造并试飞了一个直径19英尺的浮空器模型，这个模型后来出现在该公司的许多宣传照片中。1984年11月20日，美国海军学院也展示了马格努斯浮空器的比例模型，不过具体哪个版本还不清楚。
卡尔顿大学次级LTA 20-1演示器
作为LTA 20-1的最终规格，在其结构设计建立之后，全尺寸的浮空器将具有比弗格森早期专利中详述的160P 更大的发展。与160P的160英尺直径的球体相比，最终的全尺寸版本将以60.96米(200英尺)的球体为特色。LTA 20-1的其他性能指标，包括其54.4吨(约109,00磅)的有效载荷能力，以及804公里(500英里)的满载航程和80公里(50英里)的巡航速度，可以在马格努斯航空航天公司宣传册上看到。
LTA 20-1规格在马格努斯航空公司的小册子中列出
至于 LTA 20-1打算用于什么，1984年的另一份宣传手册将其描述为专门设计用于以类似直升机的方式运作，但具有携带更大有效载荷的能力。马格努斯航空航天公司还强调，LTA 20-1将能够提供“有效运输到难以到达的地方”， “大大降低每单位飞行成本”。
图示LTA 20 -1的运载能力
宣传册指出，就商业能力而言，LTA 20-1的重型起降和垂直起降能力的结合将使其在各种情况下发挥作用，包括重型建筑设备的运输(如管道建设)、应急响应(运送救援物资或重物)以及偏远地区的资源开发(石油、天然气和采矿业)。
一个艺术家画的插图，内容为LTA 20-1协助管道建设
艺术家构想的LTA 20-1在火车脱轨后提供应急响应
马格努斯航空航天公司还强调，该飞行器可以用于军事环境中运输重型设备和物资，但除了这些，几乎没有提供其他具体细节。
艺术品，描绘LTA 20-1在海军背景下使用
该公司瞄准的一个特定行业是伐木业。一个特殊的“伐木版本”的浮空器，其特征是一个直径28米(约92英尺)的气球，据说可以在零燃料的情况下携带16000公斤(约35000磅)的有效载荷。该公司声称，在一次典型的堆场作业中，这种浮空器可以使用大约2.5小时。
“在伐木业中，陡峭的地形、高昂的道路开发成本以及短暂的作业季节几乎消除了在富饶的森林地区采伐的可行性和盈利能力，”宣传册上写道。“使用 LTA 20-1[伐木版本] ，整个作业的灵活性大大提高。随着大量的空中采伐，需要的道路越来越少。通过将业务目标锁定在有需求的特定品种或等级的木材上，公司可以快速应对不断变化的市场。”为了强调这一点，该公司还制作了 LTA 20-1运输木材的未来主义艺术品。
LTA20 -1伐木版本工作
1986年，马格努斯航空航天公司计划在加拿大发行股票，以扩大该项目的规模，并与一家航空制造商建立联营公司。尽管一些外国公司，特别是伊藤公司(C. Itoh & C..)和日本的岩井日正(Nissho Iwai)有兴趣在环太平洋地区代表马格努斯航空航天公司，但该公司从未制造出 LTA 20-1的全尺寸版本。该公司后来在2002年完全解散。然而，公司的倒闭并没有阻止弗格森尝试以马格努斯效应为中心的设计。例如，在2010年的这个剪辑中，可以看到弗格森专门为发电而设计的马格努斯效应浮空器原型。最近，他将注意力转向了其他清洁能源领域的创新。在过去几年里，弗格森担任首席执行官的加拿大水轮机能源技术公司设计并开发了一种垂直双转子水轮机装置，用于从洋流、河流和运河中发电。该公司希望这种设计能够在未来几年利用全球缓慢流动的水流产生清洁能源。
虽然 LTA 20-1从未进行过全面测试，更不用说生产了，但近年来人们对轻于空气的飞行器的兴趣重新燃起，对可用于通信中继、遥感、大气探测浮空器的兴趣也日益增加。这些项目通常作为高空平台，旨在进行长距离和长时间的飞行。
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来源：浮空飞行器
编辑：深浅
浮空艇：空中“大白鲸”，科考新平台
作者：何泽青、乔涛、陈其（分别系中科院空天院高级工程师，高级工程师，研究实习员）
在第二次青藏高原综合科学考察中，由中国科学院空天信息创新研究院研制的浮空艇创造了多项科考纪录，吸引了公众的视线——“极目一号”Ⅲ型浮空艇平台搭载众多科考仪器及设备，分别于5月15日4时40分、5月21日5时09分，升空高度两次超过世界最高峰珠穆朗玛峰，分别到达海拔9032米、海拔9050米，打破同类型浮空器的升空观测高度世界纪录，获得了珠峰地区大气水汽传输和温室气体垂直变化过程关键科学数据。“极目一号”Ⅲ型浮空艇体积巨大，从外表看来形似“大白鲸”。如此大型的科学考验研究平台，科研人员是如何科学驯“鲸”的？浮空艇平台包含哪些先进技术？可以应用在哪些方面呢？
“极目一号”Ⅲ型浮空艇 屈维、陈其、黄宛宁摄/光明图片
古老航空器迎来新发展
在科研人员眼中，“浮空艇”有一个更为严谨专业的名字——系留气球。按照特性及大类区分，系留气球属于浮空器的一种。对公众而言，浮空器可能是一个既熟悉又陌生的词语——其实，内部充入氢气或氦气的气球就是一种浮空器，但科学上应用的浮空器却不是这么简单。
浮空器是指内部充入（含有）的气体比重低于空气的航空器，其升空原理是依靠轻于空气的气体浮力产生的静升力克服自身重力升空。总体上，浮空器可分为气球和飞艇两类。气球是指无动力装置的浮空器，可分为自由气球和系留气球。自由气球随风飞翔，系留气球利用缆绳系留固定在地面锚泊设施上。飞艇是自带动力装置，可进行操纵飞行的浮空器，按浮空高度可分为中低空飞艇和平流层飞艇。在青藏高原创造观测高度世界纪录的“极目一号”Ⅲ型浮空艇平台属于一种大型的系留气球平台系统。
浮空器是一种古老的航空器，是人类想要翱翔天空、征服蓝天最早使用的航空器。气球、飞艇出现的时间比飞机要早很多，随着飞机技术的不断发展，浮空器因为技术因素和时代因素等种种原因，一度逐渐消失在了大众的视野里。
但浮空器具有大载重、驻空时间长、易于布置、控制和操作成本低等明显优势，是其他航空器所不具备或不可比拟的。因此，部分科学家一直在潜心研究、积累技术，等待它的再次蝶变。
随着时代进步，浮空器相关领域的各项科学技术蓬勃发展，赋予了浮空器新的活力，对浮空器的研究又进入了新时代发展的“快车道”。可以说，此次“极目一号”Ⅲ型浮空艇创造系留浮空器的升空观测高度世界纪录，是浮空器事业发展的又一里程碑。
新型浮空艇上的硬核科技
“极目一号”Ⅲ型浮空艇给人的第一印象就是大。如此大的系统，要如何保证它的正常运转？背后蕴藏着哪些先进技术和智慧结晶？海拔9000米高度处于对流层上部，高风速、低温、低气压、复杂电磁场的极端环境条件，对浮空艇全系统的升空科学观测提出了巨大的挑战，科研人员如何一一克服？
解决这些问题，科学家和工程师们有高招。
浮空艇在东海海域开展“智慧海洋”应急通信试验网络项目船载系统的综合集成演示验证。屈维、陈其、黄宛宁摄/光明图片
将“极目一号”Ⅲ型浮空艇（系留气球）系统按功能区分，可以分为球体分系统、测控分系统、供配电分系统、地面锚泊分系统以及载荷分系统。五个分系统紧密协作，共同保障浮空艇的升空科考观测的正常运行。
球体分系统，就是我们说的“大白鲸”。浮空艇形似“大白鲸”，“大”是指此次浮空艇的巨大尺寸——55米长，体积为9060立方米。这么巨大的体型是经过精密计算得出的优化尺寸，为了将既定的多种大质量载荷从地面携带至海拔9000米的对流层上部。
“白”是指浮空艇整体外形呈现白色。白色可以反射光线、减少紫外线的吸收，使浮空艇内部气体升温不会过快。此外，浮空艇的囊体材料隐藏着众多“黑科技”，它是一种由我国自主研发的轻质低密度低渗高强抗辐射复合织物材料，复合织物材料可以对整个浮空艇进行有效保护与支撑，阻挡外部雨雪风沙的同时，也可减少内部气体泄漏，极大地增加了浮空艇的使用寿命与复用次数。
“鲸”是指浮空艇的外形。设计人员参考鲸鱼生物外形采用了仿生学设计，整体呈流线型，这样做的目的是寻求一个小风阻和高稳定性二者平衡的气动外形，在浮空艇升空过程中减小空气阻力的扰动与影响。此外，和鲸鱼用肺呼吸相似，浮空艇内部由两个气囊组成，分别填充氦气与空气，氦气囊负责提供升力，而空气囊则起着“肺”的作用，在浮空艇的升降过程中保持浮空艇的外形与压力平衡。在浮空艇升空过程时，环境压力和温度都在不断降低，需要通过风机阀门等元器件调节空气囊，进行频繁的排气，浮空艇的降落则是此过程的逆过程，会对空气囊进行频繁的打气，升降过程恰似肺在不停呼出与吸入的过程。
测控分系统，是“大白鲸”的“千里眼”“顺风耳”。获取浮空艇的实时状态与信息，控制整个浮空艇系统完成科学观测，需要用到相关的测控设备，以实时获取不同高度剖面的风速、气温、湿度等环境信息，获取浮空艇的升空高度、升速、压力、俯仰角、系缆拉力等关键信息，让研究人员可以实时判断浮空艇的正常状态，辅助地面指挥决策。
供配电分系统，是“大白鲸”的“定海神针”。浮空艇上载有能源舱，里面包含了可耐低温低气压的高压锂电池组、能源管理器及配电器等设备，负责为整个浮空艇系统提供能源支持，同时满足不同设备、仪器、传感器的不同功率/电压要求，可实现升空观测锂电池组供电、地面锚泊时地面高压供电的双模式供电无缝切换，能源供给也如同定海神针一般，持续支持着整个浮空艇系统的运转。
浮空艇在进行平原测试。屈维、陈其、黄宛宁摄/光明图片
地面锚泊分系统，是“大白鲸”的“五指山”。地面锚泊分系统主要由特种锚泊车及特种系缆组成。锚泊车通过鼻塔及两个侧臂对浮空艇完成三点约束，使浮空艇可以在地面停泊。特种系缆一侧连接艇体主承力结构件，缆的另一侧连接至地面特种锚泊车辆容缆滚筒，特种系缆除了承力作用，内部还布置有细电缆，用于将浮空艇升空过程中静电接地释放，保卫系统安全。此外，还可根据需要，在系缆中布置光纤，通过光纤传输实时通信数据。对地面锚泊车进行操作，完成系缆的收放，即可实现浮空艇的升空及下降过程。浮空艇在地面锚泊时，浮空艇及锚泊车辆上的平台可以随风向变化而转动，使浮空艇的艇首及锚泊车鼻塔总是处于迎风的小风阻状态。
载荷分系统，是“大白鲸”上的“多面手”。浮空艇平台系统本身对载荷并无限制，可以搭载各种类型的载荷设备。在本次珠峰科考中，浮空艇搭载水汽稳定同位素分析仪、黑碳、甲烷、臭氧等多种分析仪器与设备，获取了第一手珠峰地区大气水汽传输和温室气体垂直变化过程关键科学数据。
浮空艇“家族”能满足科学观测的不同需求
不仅在珠峰，浮空艇家族活跃在很多科研项目中：由中国科学院空天信息创新研究院（以下简称“空天院”）浮空器团队研发的系留气球（浮空艇）曾在可可西里西区观测藏羚羊等野生动物活动；曾在内蒙古地区开展草畜资源状态监测，为草畜平衡模型构建，创建生态草牧业科技体系提供平台支持；曾在东海海域开展“智慧海洋”应急通信试验网络项目船载系统的综合集成演示验证等，都取得了良好的效果。
浮空艇作为理想的科学观测平台，拥有众多优点和广阔的应用潜力。空天院浮空器团队深耕系留气球（浮空艇）领域数十年，发展至今，形成了从小到大全规格、系列化、矩阵式的系留气球产品。
首先，系留气球根据实际需要，升空高度可从几十米到数公里，覆盖范围非常广泛，且在升降过程中，可以实时采集获取不同高度剖面的数据。
在第二次青藏科考中，浮空艇是重要的科研平台。屈维、陈其、黄宛宁摄/光明图片
其次，可携带较大总质量载荷（从几十千克至吨级载荷），在目标高度实现长时间驻留（在气象及空域允许的情况下，可实现以天乃至月计的驻留观测），抗风能力强，对雨雪天气敏感度小，对载荷限制极小，是绝佳的大载重长驻空的观测科考及应用平台。
再次，系留气球可以实现原位测量，无污染，一次充气后可实现循环复用，效费比（效果和费用的比值）高，地面配套及控制需要人数少，具有绿色、经济、可复用、易于维护操作的优点，是绿色经济的无人长时驻空平台。
应该说，系留气球是一个基础的平台服务，它能发挥多大的作用，更取决于载荷的功能应用和平台-载荷的配合能力，空天院自研的系留气球平台，搭载不同载荷，已成功应用在了科学观测、应急通信、草原生态与畜牧平衡观测、海洋中继通信、对地观测及低空防务等典型场景中。
如今，空天院团队研制的系留气球平台，从在通用性设计上对应用地理区域进行针对性优化，已在城市、平原、高原、草原、沙漠、海洋、岛礁等多种典型地理区域开展过科学试验与示范应用，取得了突出的试验成果与亮眼的科考成绩在对地观测、气象探测、灾害监测、防务监视、应急通信、中继通信、雷达探测、城市及乡村观测、科学考察等广阔的应用领域，系留气球平台已初露峥嵘，未来可期。
《光明日报》（ 2022年06月23日16版）
来源： 光明网-《光明日报》
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