重载飞艇在空铁联运中的应用前景分析与展望

Analysis and Prospect of Application of Heavy-Lift Airship in Air-Rail Intermodal Transport

摘要

多式联运是一种先进的物流运输组织形式，铁路作为重要基础设施，在社会物流体系中占据重要地位，探索空铁联运有利于优化基础设施布局、提升物流网络通达性和覆盖面，进而推动现代物流体系建设。为推进空铁联运模式发展，首先对既有文献进行查阅和梳理，将研究方向聚焦于运输模式中的运输载具。然后，通过研究重载飞艇技术历史演进过程、国内外技术突破和技术特点，分析重载飞艇和铁路运输的适配性和协同性，结合低空经济和绿色低碳运输体系阐述了使用重载飞艇构建多式联运模式的潜在优势，对使用重载飞艇进行货物运输面临的挑战从环境、管理、资源、成本等多个方面进行了说明。最后，展望新联运模式运用场景，提出以重载飞艇为载体，构建空铁联运新模式，打造空铁联运一体化枢纽。

Abstract

Multimodal transport is an advanced organizational form of logistics and transportation. As a crucial infrastructure in China, the railway plays a significant role in the social logistics system. The exploration of air-rail intermodal transport is conducive to optimizing the layout of infrastructure, enhancing the accessibility and coverage of logistics networks, and thereby promoting the development of a modern logistics system. To advance the development of the air-rail intermodal transport model, the relevant literature was first reviewed and organized, with a research focus on transport vehicles within the transport model. By examining the historical evolution of heavy-lift airship technology, domestic and foreign technological breakthroughs, and technical characteristics, the compatibility and synergy between heavy-lift airships and railway transportation were then analyzed. Combined with the low-altitude economy and the green and low-carbon transportation system, the potential advantages of constructing a multimodal transport model using heavy-lift airships were expounded. The challenges of using heavy-lift airships for cargo transportation were explained from multiple aspects such as environment, management, resources, and cost. Finally, the application scenarios of the new intermodal transport model were prospected. A new air-rail intermodal transport model was proposed to be established with heavy-lift airships as the carrier and an integrated air-rail intermodal transport hub to be built.

关键词

铁路多式联运 / 低空经济 / 重载飞艇 / 铁路现代物流 / 空铁联运

Key words

Railway Multimodal Transport / Low-Altitude Economy / Heavy-Lift Airship / Modern Railway Logistics / Air-Rail Intermodal Transport

0　引言

2024年全国两会上，“低空经济”首次出现在政府工作报告当中。同年，工业和信息化部、科学技术部、财政部和中国民用航空局4部门联合印发《通用航空装备创新应用实施方案(2024—2030年)》^[1]，该方案明确了通用航空装备创新应用的主要目标和重点任务，促进通用航空装备制造与服务业高效融合，鼓励龙头企业发挥引领和组织协同作用，探索场景构建，打造重点领域示范应用。中共中央办公厅、国务院办公厅印发《有效降低全社会物流成本行动方案》^[2]，提出要加快健全多式联运体系。多式联运可有效降低全社会物流成本，铁路是我国交通运输行业的龙头企业，也是我国多式联运的重要组成部分，在多式联运中承担干线运输作用。现阶段，铁路多式联运大多是“铁路+公路”“铁路+水运”的形式，“铁路+空运”占比较小，探索并构建新型多式联运模式，有助于发挥铁路的行业引领和组织协同作用，降低全社会物流成本。

我国的空铁联运发展起步较晚，仍处于探索阶段，关于空铁联运的研究多集中于旅客空铁联程运输，如空铁联程运输时刻表优化、空铁联程运输网络优化、空铁联程运输服务和定价研究等^[3]。对于货物空铁联运的研究则主要集中在距离、成本、流程的论证，缺乏对于配套设施、运输模式、转运要求方面的分析，对规划层面的指导意义有限^[4]。在既有研究和实际应用中，货物空铁联运往往与我国高速铁路紧密结合，较少涉及普速货运铁路。欧阳杰等^[5]提出无缝衔接式空铁联运模式，将高速铁路线引入机场货运区，其运输组织形式类似于我国铁路货运中的专用线运输，所运输的货物仍局限于利用高速铁路进行快递行业的快件运输。秦胜等^[6]将空地一体化集疏运系统引入铁路口岸集装箱作业流程中，提出集装箱空地一体化协同运输技术能够充分利用立体空间，对既有运营的干扰较小，可在不增加地面用地负担的前提下，有效缓解货场作业能力受限的问题。贾强等^[7]认为空地一体化集疏运系统具有工程造价和运输单价双低的优势。

本研究着眼于运输模式中的运载工具，旨在通过对重载飞艇技术的发展过程、运用情况、技术特点、与铁路货运的适配性等方面的综述，探讨利用新型运载工具构建新型运输模式的可行性，创造性地提出以重载飞艇替代喷气飞机、直升机等常见航空器的空铁联运新模式，构建以铁路货运枢纽为核心的新型空铁联运协同机制。

1　重载飞艇技术演进与低空经济适配性分析

1.1　重载飞艇技术发展脉络

飞艇是一类质量轻于空气的航空器的总称。世界上第一艘飞艇诞生于1852年，由法国人制造，早于英国莱特兄弟制造的世界上第一架飞机近半个世纪。20世纪初，德国设计制造出一系列硬式飞艇，即被人们所熟知的齐柏林飞艇，其中比较著名的一艘齐柏林飞艇名为兴登堡号。1937年，兴登堡号飞艇因事故起火烧毁，成为一件历史性的标志事件。此事件后，伴随飞机技术的发展与成熟，飞艇的发展和应用遭受严重打击，商业飞艇时代就此落幕。进入21世纪后，飞艇再次进入人们的视野，出于经济性和货物运输的目的，重载飞艇受到的关注度更大。

1.2　国内外重载飞艇技术突破

国外重载飞艇研究起步相对较早，先后出现一些具有代表性的飞艇。英国先进技术集团公司曾设计并研发Sky Cat系列飞艇，包括3种型号，其中Sky Cat-200型号预计可实现200 t级货物的中远距离运输。美国洛克希德·马丁公司研制的P-791三囊体原型飞艇于2006年完成试飞，该公司基于此原型飞艇于2014年推出用于商业化运作的LMH-1重载飞艇，LMH-1重载飞艇能够以60节(约111.12 km/h)的速度，携带20 t货物或19名乘客，运行2 600 km的距离，着陆方式有短距滑跑和垂直2种方式。美国全球航空公司为美国国防部研制出Aeroscraft硬式可变浮力重载飞艇，2013年其验证艇Dragon Dream完成试飞，验证了静态质量控制技术的有效性。英国混合航空飞行器公司的Air Lander 10飞艇在2016年试飞成功，该系列飞艇计划推出另一款型号为Air Lander 50的飞艇，其载重能力可达60 t^[8]。

国内重载飞艇的起步较晚，但近几年成果显著。中航通用飞机有限责任公司研制的AG900民用载人飞艇，有效载荷1 t，滞空时间24 h，最大航程1 000 km，2020年首飞。上海达天飞艇制造有限公司研制的CA-T系列载重飞艇，其中CA-T60T最大载重能力可达60 t。中国航空工业集团有限公司所属的中国特种飞行器研究所自主研制的祥云AS700载人飞艇，在2023年完成试飞，2024年投入使用，其最大航程700 km，最大航时10 h，最大飞行速度100 km/h^[9]。

1.3　低空经济技术适用性案例

重载飞艇作为航空器的一个分支，已在诸多领域投入应用，只是在日常生活中极少引起人们的关注。美国固特异轮胎橡胶公司的Wing Foot系列飞艇被用于广告拍摄、广告宣传和体育赛事的航拍直播，该系列飞艇从最初的软式飞艇逐步发展为当前的半硬式飞艇，单在赛事娱乐直播领域就已运营60余年。中国特种飞行器研究所自主研制的祥云AS700载人飞艇已交付商用，该飞艇为满足低空旅游市场需求设计研发，主要应用于旅游观光、空中广告，也可应用于应急救援、物探检测、反恐维稳等领域。

2　重载飞艇核心技术与空铁联运协同优势分析

2.1　重载飞艇技术特性与铁路运输的适配性

现阶段，谈到低空经济，大多数人所想到的都是近年来逐渐火爆的无人机。随着无人机技术突飞猛进，在低空区域，越来越多的军用、民用场景中开始使用无人机，尽管如此，常见无人机普遍续航能力弱、载重小、飞行距离短。在货运领域，无人机只能用来投送小件货物，如使用无人机送外卖、快递、农作物喷淋等。飞机、直升机等大型飞行器，虽然载重能力高于无人机，但载重上限较低，且运输成本较高，通常用来运输高价值货物。重载飞艇与无人机、飞机、直升机等其他飞行器相比，在低空领域具有独特的技术优势，且与铁路运输形成良好的适配性。

（1）重载飞艇滞空能力强、成本低，与铁路同样具备价格优势。绝大多数航空飞行器，特别是长航时飞行器，飞行所需要的升力依赖于消耗燃料所带来的推力或拉力，如喷气飞机依靠发动机推力结合固定翼产生所需升力，火箭利用推力的反作用力获取升力。相比之下，重载飞艇属于比空气轻的飞行器，其滞空是依靠大气浮力所产生的上升力。通常情况下，会采用氢气或者氦气填充飞艇的气囊，升力的获取并不会直接消耗填充气体。在滞空期间，重载飞艇对填充气体的消耗主要在于升力调节、气体自逃逸等情形，因此重载飞艇滞空不会产生直接且大量的能源消耗，其滞空成本相较于其他飞行器要低得多，这就使重载飞艇在运输领域占据了价格优势。同样，铁路运输比其他陆地运输拥有更加稳定的运输费用，且在中长途运输中占据价格优势。可以说，在中长途运输中，重载飞艇运输与铁路运输一样具备价格优势。

（2）重载飞艇载重能力强，适合与铁路进行货物转运作业。重载飞艇通常是指具有至少50 t运载能力或者可以运载一些超大型不规则货物的运输飞艇^[8]。用于运输的常见飞行器中，固定翼飞机、直升机若进一步提升载重能力，将面临复杂的系统工程设计、更大的燃油消耗、更好的发动机技术等挑战，载重能力的提升会导致飞行器的经济性迅速下降。由于重载飞艇依靠大气浮力作为升力主要来源，不依赖发动机技术，载重能力的提升更容易。目前已知的载重飞艇的载重能力在40~80 t之间，且未来发展目标在100 t级以上。另外，重载飞艇与目前常见运输类飞行器相比，重载飞艇速度低，飞行姿态平稳，结合无人操控技术，可实现编队飞行。铁路货物运输采用列车编组运行的方式，单车载重能力一般在60~80 t之间，编组后每次运输相当于多车编队运行，单次运输货物总重很大，在大宗货物转运上，铁路货物运输的效率要高于飞机。可见，重载飞艇和铁路在货物运输质量上的匹配度比较高，有利于所运货物的转运接驳。

（3）交通路径优势明显，通行能力强。铁路运输依靠轨道行驶，其运行时处于一个相对独立的空间区域，在安全限界以内，其通行几乎畅通无阻。重载飞艇在更加开阔的空域按照预定航线飞行，虽然没有物理隔离，但依靠空域管理，其运行的空间也是相对独立的。因此，二者在运行时，几乎不会发生交通拥堵，也不会遇到公路运输中频繁出现的限高限宽等情况，可以提高运输效率，确保运输时效。

（4）重载飞艇运输枢纽场地空间优势明显。航空货物运输以固定翼飞机为主要载具，固定翼飞机在起飞时需要一定距离的跑道来获得初始速度和足够的升力，降落时需要一定距离的跑道进行降速缓冲，载重越大，起飞降落所需跑道越长，因此机场都会占用很大地面面积。重载飞艇上升和降落时，依靠浮力调节，发动机在起降过程中被用来进行必要的姿态控制，其起降所需要的场地，主要用来满足自身空间体积需求。

2.2　空铁联运协同运作机制构建

现阶段，空铁联运常见于旅客运输领域，货运领域主要为快递行业小件运输。重载飞艇与铁路运输适配性高，适合用来作为空铁联运的航空运输载具，其运输枢纽的构建所需场地面积较小，适合围绕运输需求构建运输节点。重载飞艇技术的进一步发展，可以为货物运输领域带来新的机遇，催生出相对成熟且便捷的货物空铁联运新模式。

目前，航空和铁路在进行货物运输时，都需要较大的专用固定场所，受限于各自场地面积、相对距离、建设年代等因素，接驳转运过程需要利用公路运输进行较长距离的运输组织衔接。张运河^[10]认为空铁联运接驳区是完成空铁联运货物交换、中转作业的场所，是实现空铁联运的最核心区域。如果让重载飞艇参与空铁联运，可以利用重载飞艇独有的起降空间优势，将空铁联运的接驳场地直接设置在铁路货场内，实现专用场地的空间共享，建立一种新的空地一体化协同运输方式。即便无法共享，由于重载飞艇起降空间的优势，也可根据铁路货场位置，就近选址规划建设飞艇专用场地，利用铁路专用线直通飞艇专用场地，进而结合无人货车短驳技术，实现空铁快速接驳，使得全链条运输更加经济便捷、安全可靠。

2.3　绿色低碳运输体系创新路径

飞艇在使用过程中，主要依靠大气对其产生的静浮力进行上升和维持高度，同时也需要消耗一些能源。这些能源消耗主要用于飞艇的飞行控制、通信、基本电气设备运转等。现代飞艇所使用的发动机与现代汽车工业类似，主要有燃油发动机、纯电发动机和油电混合发动机，有些飞艇还会采用太阳能电池作为补充供能手段。将飞艇与固定翼飞机相比较，固定翼飞机在起飞和降落2个阶段油耗极高，中间飞行阶段大多数时间处于经济航速，油耗相对较低且平稳，但依然需要较大的燃油消耗才能获得维持高度的升力和稳定的速度。同样情况下，不考虑起飞和降落过程，即便采用同样的发动机，飞艇发动机只用于维持其速度，燃油消耗必然远低于固定翼飞机。以国产载客飞艇AS700和民航客机波音737为例，AS700可载9人，巡航状态下平均油耗为45 L/h，波音737巡航状态下人均油耗为21.5 L/h，核载9人巡航情况下平均油耗为193.5 L/h。可见，重载飞艇飞行过程中，相较于固定翼飞机，能量消耗少，碳排放量低。铁路运输以电力牵引为主，与公路运输相比，碳排放更低，国内通过调整运输结构，大力推进“公转铁”，以实现高碳排放运输向低碳排放运输的转变。重载飞艇作为一种低能耗飞行器，一旦与铁路运输构成有效的联运组织模式，可以进一步提高全程运输中的低碳环节比例。段力伟等^[11]认为在需求不确定时，货运企业倾向于选择更为稳定且碳排放较低的运输方式。绿色低碳运输体系创新有利于我国铁路货运的高质量发展。

3　多式联运应用场景构建

综合参考多方因素，铁路与重载飞艇进行货物运输接驳转运作业，在未来一定时期内，更适合特种货物、特定环境背景下的特种运输，但从长远看，结合无人驾驶、集群控制、防碰撞、现代飞控等技术的发展，重载飞艇和铁路一样，具有适配集装化大批次运输场景的能力。

（1）“铁路+飞艇”可用于超限货物转运，特别是超长、超大货物的转运，如大型一体化工业铸件等。这类货物由于其自身无法拆解、公路通行限制、专用公路运输车辆保有量低、运输安全性等原因，在运输时成本较高，效率则相对较低。利用飞艇进行转运，搭配合适的装载方案，对被运输货物的外形要求较低，并可有效解决通行限制问题。

（2）“铁路+飞艇”可用于应急救灾抢险物资和灾后物资的末端转运投送。遇到较大险情灾情时，可以利用飞艇的特性，突破地形限制，将各类物资快速投递到指定区域位置。与喷气飞机相比，重载飞艇可以进入更低的空域，方便物资安全投送。与直升机相比，重载飞艇由于升力稳定性强，在低空区域稳定性更高，更适合自然灾害情况下的货物运输。

（3）“铁路+飞艇”可用于军事运输中重型装备的复杂地形快速投送部署与展开。由于海、空战略投送能力不足，而铁路运输具有运量大、成本低、易装卸、受天候影响小、抗摧毁打击能力强、四通八达的优势，决定了铁路军事运输在战略投送中的骨干地位和支撑性作用^[12]。利用重载飞艇进行空铁多式联运，可以有效强化铁路运输的末端投送能力，提升铁路军事运输的战时保障能力，实现军地运投体系互利共赢^[13]。

4　产业化面临的挑战

4.1　技术瓶颈

（1）环境适应性。飞艇的飞行稳定性受到气流影响较大，随着对飞艇技术认知的不断深入，一些为固定翼飞机开发的技术被应用于货运飞艇，改善了飞艇的可靠性和安全性^[8]，但在起降时由于飞行速度较低仍然存在安全隐患。接驳作业场地通常比较开阔，在进行接驳作业时，重载飞艇起降须保持足够的稳定性，克服近地面各类气流的强烈干扰。增强重载飞艇乱流抗性，提高飞行全过程稳定性，才可使铁路与重载飞艇的接驳转运作业成为可能。

（2）协同管理。铁路与重载飞艇之间的货物进行接驳作业，特别是利用铁路场地进行场地共享接驳作业时，会面临铁路、重载飞艇都需要各方调度指挥人员参与的情况。两方如何合理优化各自的调度指挥过程，做好全过程的协调统一，相应的配套管理政策能否及时出台并行之有效等，都将对空铁联运的运输组织效率产生极大的影响。根据郑瀚^[14]对我国海铁联运的协同管理研究，协同管理中将面临组织结构、制度管理、数据业务对接等诸多分支问题，实现综合的、一体化的联合运输“协同管理”是一项重要举措，有利于提升联合运输效率，实现联合运输利益最大化。

（3）氦气资源自给能力。现代飞艇基于安全性考虑，大多采用氦气作为填充气体；重载飞艇需要填充的氦气量相当可观，以国产CA-T20T型组合式载重飞艇为例，公开数据显示其主气囊容积为62 114 m³。氦气是一种赋存于少数天然气田中的稀缺矿产资源，无法单独开采，只能作为副产品随天然气的开采获得^[15]，我国在低丰度天然气提氦领域已经实现了重大突破^[16]。我国属于贫氦国家，又是氦气需求大国，需求量居全球第二，氦气消费缺口短期内仍要通过进口来填补。如果要进一步推进重载飞艇技术发展和应用，特别是将重载飞艇应用于低空经济领域，加大自研氦气提取装置推广力度，加快完善氦气储备体系，保障氦气供应稳定尤其重要^[17]。

4.2　经济性分析

（1）投资建设成本高。开展任何方式的多式联运，都需要有特定的场地。将重载飞艇应用于空铁联运，无论新建场地还是充分利用现有场地改造，都要根据重载飞艇起降和装卸货物的需要对场地进行设计和建设，必然要投入较大的资金进行前期基础设施的构建。同时，对于航空飞行器而言，研发和制造成本都比较高，涉及投资回报、投资意愿、投资壁垒等问题，新型空铁联运方式的应用很大程度上取决于铁路和飞艇运营双方对各自成本和收益的远期评估。

（2）维护运营成本。重载飞艇作为航空飞行器，维护和保养成本比较高。飞艇依赖氦气产生升力，氦气资源的稀缺性导致其市场价格偏高，充装成本较大。氦气具有自逃逸特性，在重载飞艇使用过程中还会发生持续性氦气损耗。我国解决了氦气提取技术“卡脖子”问题后，将重塑全球氦气供应链，氦气市场价格随之下降。解决氦气资源自给问题，能够显著降低使用飞艇进行货物运输的成本，货物空铁联运的适用场景范围会更加广阔。

5　结束语

重载飞艇在滞空能力、载重能力、通行能力、低碳环保等方面表现出的优势特性，与铁路货物运输形成极强的接驳适配性，以重载飞艇作为空运载体构建“铁路干线运输+飞艇末端接驳”的空铁联运新模式具有可行性和现实意义。重载飞艇起降距离优势，使基于现有大型铁路货运场站构建空铁联运一体化枢纽成为可能。新模式与一体化枢纽结合后，可以弥补铁路末端运输的短板，强化铁路运输在超限货物转运、应急救灾、军事投送等领域的能力，减少接驳作业时间，进而提高全程运输效率，推动运输产业融合。重载飞艇未来应用于更多的低空经济领域，一方面需要进一步研究和发展重载飞艇技术，提高飞艇的可靠性和安全性；另一方面，需要进一步完善氦气资源保障体系建设，夯实氦气自给自足能力基础。政府、行业及相关部门也要出台相关政策或管理办法，为重载飞艇在运输行业的运用奠定“软性基础”。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2024YJ109)