编者按：《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂，以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实，展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程，说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能，还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意，他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的，有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗”等框图形式在文中给出。

2、升空飞天是人类不断的追求（下）

　　2.2 飞艇华丽转身又归来 

　　提起飞艇，相信大家也不陌生。它可是热气球的“亲兄弟”啊！这哥儿俩都是能够载人升天的飞行器，都是圆圆胖胖的大块头，肚子下面吊着不同样式的“篮子”。不过，它们也有不同的地方，你看：气球大多是圆球形的而飞艇大多是橄榄形的，气球没有动力和舵面而飞艇带有发动机并设有尾翼。因此，气球只能被动地随风飘飞，而飞艇就能够主动飞行并可以操纵控制了。可以说，飞艇尽管主要仍然是依靠浮力，但它已经有点像飞机了。这就应了那句老话“青出于蓝而胜于蓝”，人类发明的技术总是这样一步步地向前推进的。 

　　2016年8月17日，英国混合航空飞行器公司研制的巨型飞艇“天空登陆者”首航成功。它是目前世界上最大的飞艇，设计载客48名、载货10吨，最长可在空中停留两星期。它有着奇特的外形：从侧面看和常见的飞艇类似（橄榄形），而从后面看好像腹部相连的两个飞艇。不少人戏称它为“飞屁股”。 

　　当然，最初的飞艇可不是这个样子的。一对法国人——罗伯特兄弟，他们在1784年制造了人类第一艘人力飞艇，飞行了7个小时，由7个人划桨来提供动力。到了十九世纪中叶，欧洲相继发明了蒸汽机、内燃机、电动机以后，法国工程师吉法尔设计的飞艇上由悬吊在下面的蒸汽机提供动力，在软气囊下面还有一个三角型风帆来操纵飞行方向。1852年9月24日，这艘飞艇在巴黎郊区试飞，在28千米以外的地方着陆，速度约每小时8千米。由于没有考虑操纵问题，飞艇不能返回起飞地点着陆。 

　　1884年，法国的路纳德和克里布又制造了一艘“法兰西号”飞艇，采用蓄电池供电的电动机做动力，在8月9日解缆试航。法兰西号起飞后，在离开出发点约4千米处返航，其间还更改过航向。在降落中也多次前后转动，以对准着陆点。整个试飞历时25分钟，飞行速度最高达每小时24千米。这是人类第一艘能操纵的飞艇。 

　　1900年，被后人称为“飞艇之父”的德国人齐柏林制造了世界上第一架硬式飞艇Lz-1号。它有一个硬的铝材骨架作为艇体构架，外面蒙上防水布制成的蒙皮，艇体内有17个气囊，总容积达到1.2万立方米，比当时软式飞艇大5～6倍。由于多气囊能起到类似船上隔水舱的作用，所以大大提高了飞行的安全度。从这年开始，齐柏林先后设计、制造、试飞了6艘大型硬式飞艇，遭遇过飞艇当场毁坏的种种失败，但终于研制成功续航时间超过24小时的大飞艇。 

　　1910年6月22日，Lz-7号飞艇承担首航运输任务：从德国的法兰克福飞往杜赛尔，一次载客24名，另有12名乘务员，飞行速度为每小时70千米上下。这是世界第一条定期空中航线。齐柏林逝世后，他的继承人又建造了一艘环球飞艇，开辟了洲际长途客运。这艘被命名为“格拉夫·齐柏林号”的飞艇，在1929年8月8日开始了它的环球飞行：从美国的新泽西州出发，经过德国、前苏联、中国、日本，于8月26日回到洛杉矶市。整个航程历时21天7小时34分，最大速度达每小时193千米。 

　　20世纪20-30年代是飞艇的鼎盛时期，世界各国建造的飞艇超过500艘，而且规模十分巨大。例如，1929年德国制成的“兴登堡号”，长达245米，直径超过41米，总重206吨，曾10次往返飞行于美国和德国之间，运送旅客有1000多人。但是这一时期的飞艇都使用氢气作为浮升气体，很容易燃烧和爆炸，非常不安全。1937年，“兴登堡号”在着陆时因为静电火花引起了氢气爆炸，97名乘员中有36人遇难，被称为“空中泰坦尼克”。此外，英、美等国也有多艘大型飞艇相继失事的情况发生，此后飞艇的发展就陷于了停滞状态。特别是随着20世纪飞机、卫星等技术的迅速发展，飞艇曾经一度退居到天空舞台的一个小小角落里，人们几乎见不到它们的身影了。 

　　但是，上个世纪的70年代以来，飞艇改用安全的氦气作为浮升气体，它的发展又开始呈现了活跃的景象，采用多种新技术的新型飞艇被用于空中摄影、摄像、巡逻等方面。而在新世纪里，人们对现代飞艇提出了新的要求：飞得更高、更远，能完成更多的任务。特别是，近年来世界各国竞相开启了临近空间飞行器的研究，于是，飞艇华丽转身又归来，成了大家的“香饽饽”。 

　　这里，咱们要插进来说说地球大气层的事儿。因为无论是气球、飞艇甚至是飞机，它们都是只能在大气层里飞行的。不是吗？就说气球和飞艇吧，它们不都是靠空气的浮力而升天的嘛！咱们也知道了，大气密度随高度增加而下降，所以只有在临近空间里，这些凭借空气浮力的飞行器才能发挥威力。特别是，平流层成为临近空间飞艇的首选运行空域。 

　　因为大气物理知识指出，平流层的特点是：第一，那里的水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，因此能见度很高；第二，那里的空气以平流运动为主，没有上下对流，飞行器在其中受力比较稳定，便于操纵架驶；第三，鸟类一般不能飞达这个高度，从而会减少发生撞击意外的几率；第四，那里可以利用稳定的太阳能资源。所以，目前大家主要是在发展平流层飞艇。 

　　研究平流层飞艇的驱动力首先来自于军用（包括侦察监视、定点通讯等等），当然大型飞艇还可以用于交通运输、环境监测、遥感通信、应急救援、公共安全和科学实验等民用方面。由于飞艇的升力主要依靠浮力，因此相对于飞机而言,它的节能性能很好，噪声又很低、对环境的干扰较小，而且它不需要机场或跑道便可以实现垂直起降，又能够悬停在任意地理位置的上空，运行起来很方便。 

　　此外，现代飞艇可以比飞机飞得高得多，这样视野就大得多，例如目前预警机对地的雷达视距大约在400公里左右，而平流层飞艇最多可以达到1000公里。飞艇相对于卫星而言，运行高度又低得多，可以装备载荷的能力比较大，这样对地观测仪器的分辨率就高得多，十分适合于遥感通讯等应用。所以，遥测通讯等等是可以巡天的平流层飞艇的不二使命。 

　　我们已经知道，飞艇与热气球的最大的区别在于它具有动力推进和控制飞行状态的装置。它安装有推进装置（一般采用电驱动的发动机），主要用于飞艇水平移动，也可以提供部分的升力。它还安装有尾面，用来控制和保持航向、俯仰的稳定。对于平流层飞艇，它们大多数都安装有太阳能电池阵列和储能装置，因此可以长时间的不间断持续航行，并可以长时间的驻定在空中某个位置上。这就是飞艇能够华丽归来的主要缘由。 

　　如果让飞机、飞艇和卫星配合起来，使它们都在各自最佳空域里工作，那就更厉害啦！例如，如果要建立一个高分辨率的对地观测系统，那么人们可以这样来安排：飞机（航空观测系统）在8千米以下的低空飞行；飞艇（临近空间观测系统）在20千米上下的中空飞行；卫星（天基观测系统）在100千米以上的高空飞行。我们不难设想，这将会获得多么好的效益啊！ 

　　我们还要提到的是，我们国家对临近空间飞艇的研究也取得了长足的进展。2015年10月，北京航空航天大学、北京南江空天科技股份有限公司共同完成了临近空间飞艇“圆梦号”的留空飞行试验，实现了可控飞行与完好回收，同时开展了临近空间宽带数据传输、语音图像传输、对地观测与空中态势感知等初步应用试验。“圆梦号”囊体体积为18000立方米，由3个六维电机螺旋桨驱动，在空中停留的时间可以达到48小时，还能够重复使用。“圆梦号”飞艇试飞成功，标志着我国在临近空间飞艇研制领域迈入世界先进行列。