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飞艇其实就是"在天空中漂浮的船"，对吧？但和飞机不同，即使关闭发动机也不会坠落。这是为什么呢？
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问得好。飞机靠风吹动机翼产生升力（lift），停止就坠落。飞艇则是把轻气体装进巨大的袋子里，利用与周围空气的密度差来漂浮。这就是阿基米德原理，用公式 L = V·(ρ_air − ρ_He)·g 表示。海平面氦气的话，25 m³ 才能浮起 1 kg，效率相当低。所以飞艇总是很巨大。Goodyear 的软式飞艇有 5000 m³，Zeppelin 的兴登堡号足有 20 万 m³。
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25 m³ 才 1 kg…效率真的很低呢。那升高高度浮力会怎样？我听说 HAPS 能上升到 20 km。
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高度越高空气密度 ρ_air 越小，相同气体容量的浮力就会下降。一个海平面能浮起 5000 kg 的软式飞艇，上升到 5 km 高度浮力就会降到约 3000 kg。HAPS 在 20 km 平流层运行，空气密度只有地表的 1/14。所以飞艇的包囊和有效载荷必须设计得非常轻才能浮起来。Airbus 的 Zephyr 通过太阳能电池加热气体来获得超热浮力补偿。点击左边"飞行高度"滑块，你能看到浮力如何随高度变化。
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那用氢气不就更好了吗？氢气浮力比氦气高 8% 呢。
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从物理角度确实是这样。1930 年代的许多 Zeppelin 飞艇都用氢气。但 1937 年兴登堡号在美国莱克赫斯特空降时发生火灾爆炸，36 人丧生。之后有人飞艇使用氢气就被实际禁止了。氦气是惰性的，绝对不会燃烧，很安全，但地球上埋藏量有限，只能从天然气田的副产物中经济地获得。价格约 $7～15/m³，充填 5000 m³ 的软式飞艇要花几万美元。近年液化分馏技术成本下降，无人 HAPS 需求增加，所以需要量在重新增长。
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软式飞艇、硬式飞艇、半硬式飞艇有什么不同？我在新闻里看到过"Pathfinder 1"。
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结构的分类。非硬式（软式飞艇）只靠气体内压维持形状，Goodyear 的广告飞艇是典型，简单便宜，但大了以后会被风吹弯。硬式飞艇内部有金属框架，里面装多个气囊，Zeppelin LZ127 和 LZ129 就是这样。半硬式飞艇只有龙骨（脊梁），1926 年 Norge 号的北极横渡最有名。Pathfinder 1 是由 Google 的 Sergey Brin 投资的 LTA Research 公司制造，规模最大的硬式飞艇，瞄准灾难救援和远程物流。Lockheed P-791 和 Airlander 10 是气动升力+浮力的混合型，为重运输开发，可在没有跑道的地方着陆。
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用这个模拟器玩一下，发现 Goodyear 软式飞艇的 500 kg 有效载荷上升余裕很大呢。实际运行时能用到多少？
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你眼光不错。默认设置下有效载荷约 4250 kg，只装 500 kg，确实余裕很大。但实际上燃料、乘员、广告牌、摄像机、系留设备等加起来要 2～3 吨。还要考虑日射温度变化导致超热浮力 ±10% 波动，夜间降温浮力又会下降。所以要经常投放压水舱平衡，或者从包囊放气（压力高度控制），时刻微调。HAPS 用太阳能电池控制昼夜气体温度，重运输飞艇有叫"矢量推进风扇"的东西辅助上升下降。浮力余裕是飞艇安全设计最基本的指标。
飞艇的总浮力如何计算？
根据阿基米德原理，总浮力（总升力）由 L = V·(ρ_air − ρ_He)·g 计算。其中 V 为包囊的气体容量 [m³]，ρ_air 为周围大气密度 [kg/m³]，ρ_He 为氦气密度 [kg/m³]。在海平面（标准大气 15℃）时，纯氦 1 m³ 产生约 1.04 kg 的浮力。换句话说，浮起 1 kg 物体需要约 0.96 m³ 的氦气。本工具使用 ISA 大气模型计算不同高度的密度，并显示考虑了氦纯度和内部加热差的实际浮力。
为什么不用氢气而用氦气？
氢气的分子量更小，浮力比氦气高约 8%，这在物理上是一个优势。实际上，20 世纪上半叶的许多 Zeppelin 飞艇都使用氢气。然而，在 1937 年的兴登堡号事故之后，有人飞艇上使用氢气实际上被禁用了。氦气是惰性的，不会燃烧，具有安全性，但地球上的储量有限，只能经济地从天然气田的副产物中获得。价格约为 $7～15/m³，完全充填 5000 m³ 级软式飞艇需要花费数万美元。近年来，随着液化分馏法成本的降低和无人 HAPS 用途的普及，需求正在重新增长。
高度升高时浮力如何变化？
当高度增加时，大气密度 ρ_air 下降，因此相同的气体容量 V 产生的浮力 L = V·(ρ_air − ρ_He)·g 也会减少。虽然氦气本身的密度 ρ_He 也会下降，但 ρ_air 的下降速率更快，导致净浮力下降。装有 5000 m³ 氦气的软式飞艇在海平面产生约 5000 kg 浮力，但升至 5 km 高度后浮力会下降到约 3000 kg。在 HAPS 运行高度 20 km 的平流层，ρ_air ≈ 0.09 kg/m³，仅为地表的 1/14。HAPS 采用超轻量级的包囊和有效载荷设计，才能在稀薄空气中浮起。
Zeppelin、Goodyear 软式飞艇和 HAPS 有什么区别？
按结构分类，硬式飞艇内部有金属框架，其中包含多个气囊，Zeppelin LZ127 和 LZ129 兴登堡号属于这类。半硬式飞艇只有龙骨（脊梁），Norge 号的北极横渡（1926 年）是著名例子。非硬式飞艇（软式飞艇=气球）只由气体内压维持形状，Goodyear Blimp 是典型代表。HAPS（高空平台站）是用于平流层通信中继的无人飞艇，拥有超薄膜制的包囊和太阳能电池，能够几乎无限时间滞空。对于重运输，Lockheed P-791 和 Airlander 10 等混合型（气动升力+浮力）正在开发中。
广告和游览飞行： 最著名的是 Goodyear Blimp，自 1925 年以来一直用于美国体育赛事转播的空中摄影。气体容量 5000～8000 m³，有效载荷数百 kg，巡航速度约 50 km/h。近期 Goodyear 已更新为由 Zeppelin NT 制造的半硬式飞艇，提高了机动性和安全性。日本过去也有日本飞行船在东京湾上空运营。
成层圈通信平台（HAPS）： Airbus Zephyr（虽然实际上是飞机型，但与 LTA 相关）、SoftBank HAPSMobile、Loon（已停止）、Sceye 等正在推进高度 18～25 km 的移动电话基站、5G 中继、地球观测任务。目标是灾害时的即时通信恢复、偏远地区和离岛的宽带提供、比卫星更低成本的监测。气体容量 1万～10万 m³，有效载荷 50～250 kg，设计极其轻量。
远程地区重物运输（重运输飞艇）： 加拿大北部、西伯利亚、非洲内陆等道路、铁路、机场不完善的地区，可一次运送数十吨设备（发电机、医疗设备、矿山机械）。Lockheed Martin LMH-1、HAV Airlander 10、Aeroscraft、LTA Research Pathfinder 1 正在开发中。比直升机吊装燃油效率更高，不需要跑道，混合型还可悬停。
科学观测与摄影： 电影和电视的太空采访、火山和珊瑚礁冰川的长时间监测、灾害时的空中激光扫描等，固定翼机或直升机滞空时间不足的任务可用飞艇。Solar Airship One（法国 Euro Airship）计划无燃料、零排放的环球航行。
最大的误解是"氦气安全所以可以随意用" 。虽然氦气不可燃，但氦分子极小，会从布料和樹脂膜的缝隙缓慢渗漏。实际的软式飞艇每月漏 1～2% 的气体，需要定期补充。每次补充时都会混入空气，纯度下降。试试把工具中的"氦纯度"从 99% 改为 95%，会发现浮力约下降 4%。长期运行时纯度管理和密闭性是生命线。
其次是"忽视日射的超热效应" 。白天包囊内气体会比外界高 5～20°C，ρ_He 进一步下降导致浮力增加。夜间则降温浮力下降。所以飞艇早晨会多装压水舱以应对低浮力，白天慢慢放水。设计时要同时算好最高超热（夏日中午）和最低冷却（冬日夜晚）两种情况，单方面优化会导致另一时刻过浮或沉没。工具的 ΔT 滑块可看到影响。
最后是"浮力余裕大就是好设计" 这个误解。总浮力对有效载荷太大，地面系留时缺乏压舱，强风会导致吹起后撞上电线建筑，历史上许多飞艇都这样被毁。地面系留时飞艇最脆弱，兴登堡之前也有很多飞艇在地面被破坏。良好设计是"浮力过剩和不足都为 0"，通过放气阀、空气压舱（气囊）、推力偏向的组合微调。浮力余裕不是安全系数，而是调整代度，这才是正确的设计理念。