现如今，大型、坚固的飞艇通常只能在20世纪上半叶的黑白照片中看到，当时德国柏林飞艇公司(Luftschiffbau Zeppelin GmbH, Friedrichshafen)的齐柏林飞艇，以及美国阿克伦号(USS Akron)和美国梅肯号(USS Macon)等军用飞艇都很流行。
然而，德国兴登堡号和其他飞艇的悲惨事故最终导致了刚性飞艇时代的结束。
自20世纪60年代以来，今天的飞艇大多采用非刚性飞艇的形式。
然而，有几家公司正在按照美国联邦航空管理局(FAA)的规定，努力开发新一代刚性结构飞艇，并使用现代技术和材料来确保更安全的制造和运营。
其中之一是位于美国加利福尼亚州山景城的飞艇公司Lighter Than Air（LTA）Research公司，该公司正在研发新一代飞艇。
LTA 公司在美加利福尼亚州建造的“探路者1号”飞艇，许多结构都使用复合材料，包括碳纤维复合材料框架。
LTA的首席执行官Alan Weston曾在空军研究实验室（AFRL）、美国国家航空航天局艾姆斯研究中心和中佛罗里达大学佛罗里达航天研究所工作，他创办这家公司的目标是减少航空运输中的碳排放。
他决定将重点放在电动或替代动力飞艇的现代化上，作为一种潜在的低排放或零排放航空运输选择。
2014年，Weston开始深入研究飞艇设计，从阿克伦大学的历史学家和研究人员开始，并与德国汉莎航空公司和固特异轮胎橡胶公司等公司的飞艇设计师进行了交谈。
随着研究工作的进展，Weston认识到他正在开发的飞艇有可能增加人道主义救援工作，例如向自然灾害灾区运送物资。
飞艇几乎可以停靠在任何地方，不依赖于完整的飞机跑道或着陆区，可以长时间悬停接送人员或货物，还可以设计成携带大型有效载荷，所有这些都可以很好地用于救援工作。
该公司于2015年正式成立，由谷歌联合创始人谢尔盖·布林支持。
到2016年，LTA Research有两个地点：一个是位于美国俄亥俄州阿克伦的研发实验室，用于测试设计和制造技术；另一个是位于美国加利福尼亚州山景城的机库。
那年，LTA在山景城建造并试飞了其首个小型飞艇模型，不久后开始生产其首个全尺寸飞艇“探路者1号（Pathfinder 1）”。
“探路者1号”飞艇的设计之路“探路者1号”是LTA的概念验证（POC）飞艇，为未来的迭代铺平了道路，它的长不到400英尺、直径不到66英尺，由电动机驱动。
根据美国联邦航空管理局的资格指导方针，目标是证明材料和制造技术，并将任何经验教训用于开发下一代甚至更大的探路者飞艇。
LTA Research的工程副总裁Daniel Morgan解释说，“探路者1号”总体设计的最初目标是安全性和简化组装过程。
从一开始，该公司就决定采用刚性飞艇设计，而不是气球状飞艇或半刚性设计。
在一个完全刚性的设计中，氦气袋仍然提供飞艇的升力，但它存在于一个骨架状的内部框架中，框架由相互连接的管子组成，在这种情况下，由美国杜邦公司生产的Tedlar蒙皮覆盖，这种被称为“外壳”的外皮支撑着船底的的吊舱，用来装载乘客和货物。
刚性设计为运载货物以及现代导航和安全系统提供了最大的强度，但更多的结构部件也意味着整个飞艇的重量增加，可能会降低航程或有效载荷能力。
因此，LTA认识到，复合材料可能会在一定程度上用于保持飞艇在最大强度下尽可能低的重量。
Morgan解释说，LTA以20世纪早期的飞艇设计为基础，采用当今的材料、制造技术以及推进和导航技术进行现代化改造，“复合材料属于现代材料的范畴。
传统飞艇通常至少在一种情况下使用铝甚至木材建造，但当你比较刚度和重量时，复合材料是我们应用的明确解决方案。
”美国西门子公司的Femap有限元分析软件以及Ansys模拟软件用于设计飞艇的每个结构。
通过仔细设计之后，取得了以下主要成果：刚性飞艇设计包括近3000个钛轮毂和10000个碳纤维增强塑料管；“探路者1号”飞艇的框架管是卷包装和烘箱固化的，未来将研究更自动化的工艺；碳纤维、Kevlar和玻璃纤维等复合材料被用于整个飞艇。
整个飞艇中的复合材料结构件包括：由合作伙伴齐柏林飞船建造的吊舱、座舱连接支柱，多部件、多材料鼻锥也是与齐柏林飞船合作建造的，包括Kevlar防护罩和碳纤维增强聚合物（CFRP）连接机构，鳍，玻璃纤维复合材料电机罩，高压釜外（OOA）固化的复合材料电机塔架，手工铺设和压固化舷梯板，以及通过高压釜和OOA手工铺设复合材料的混合物制造的外部进气口和支架。
对于像探路者1号这样的刚性飞艇来说，可以说最重要的结构元件（当然也是除了外壳之外最大的结构）是13个管状主机。
Morgan说，从一开始，碳纤维复合材料就是最有力的竞争者。
除了CFRP框架外，LTA及其合作伙伴在探路者1号飞艇上使用了各种复合材料，包括鳍（如图）、吊舱、发动机罩。
“探路者1号”飞艇框架的制造和组装Morgan解释道：“框架的设计考虑到了现如今的材料。
与铝或木材相比，碳纤维的抗压强度会自动改变你开发的整体结构，因为它承载的负载不同。
”同时，他说LTA不想完全重新发明轮子。
“如果你看看飞艇的旧设计，它们使用了类似的测地模式，就像我们一样，尽管其中许多是基于桁架的系统，”这意味着，在半刚性飞艇设计中，龙骨或桁架沿着结构的底部支撑着上面的氦气膨胀外壳。
对于LTA的框架，高强度和低重量是首要考虑因素；此外，为了简化鉴定过程，LTA决定依靠现有的航空航天鉴定材料。
这些目标成就了一种由航空级碳纤维预浸料制成的中空管的设计，该中空管由一系列专门设计的焊接钛轮毂连接。
整体探路者1号框架由近3000个焊接钛轮毂组成，连接10000根多层CFRP管。
探路者1号飞艇的框架由10000多根连接到钛轮毂的中空碳纤维复合管组成为了简化组装，LTA决定采用两种管道配置，直径分别约为3英寸和4英寸，切割成各种长度，最长可达12英尺。
在测试了几家供应商的样品后，该公司与新西兰Kilwell Fibrelab公司合作，该公司专门生产各种应用的复合材料管。
对于探路者1号而言，管子是通过卷包工艺制造的，其中预浸料片被切割成特定的尺寸，然后用手在芯轴周围以指定的层铺设。
将加热的收缩带层添加到管中进行压实，然后进行烘箱固化循环。
使用来自日本东丽的航空航天合格的碳纤维预浸料，包括具有专有树脂的平纹编织中模量（IM）预浸料和单向高模量（HM）预浸料。
自2016年底制造出第一批样品管以来，截至2023年夏末，Kilwell已经生产了24840根总长超过25英里的样品管，以支持LTA的探路者计划。
Kilwell生产的碳纤维复合材料管除了管子本身，框架结构的另一个挑战是组装。
Morgan说，在过去，飞艇的组装非常耗费人力，需要来自数十个专业领域的数百人，其中许多人不得不在脚手架上危险地工作。
他说：“今天，我们可以使用现代技术来预先加载流程，以工程师和自动化的方式使用更多，并大大减少接触劳动力。
”事实上，LTA已经为许多设备申请了专利，这些设备旨在促进更快、更安全的施工。
从本质上讲，主机管和轮毂部件连接到一个圆形通用主机夹具上，该夹具的直径与飞艇的直径相同，由支撑结构悬挂在地面上。
地面上的技术人员将部件连接到夹具上，然后旋转整个设备，将主机架的该部分提升到所需高度。
这种组装方法，以及管道和轮毂本身，都设计得很容易扩展，因为LTA开始将目光投向未来更大的飞艇。
Morgan说：“这才是我们使用的架构真正改变游戏规则的地方，即可扩展性。
如果我们想建造一艘不同尺寸的飞艇，我们可以使用相同的技术，使用相同的工具和分析技术来设计飞艇，并使用相同或相似的碳纤维管相对快速地建造。
”未来的探路者：更大的飞艇，更高的容量现在，重点是让探路者1号升空，但飞艇最终会成为未来更多甚至更大飞艇的POC。
为了支持飞艇尺寸的增加，LTA需要更大的制造空间。
2022年，该公司收购了位于美国俄亥俄州阿克伦的阿克伦航空码头，该码头长1175英尺、宽325英尺、高211英尺，这是一座由固特异齐柏林飞船公司（固特异和齐柏林飞船当时的合资公司）于20世纪20年代建造的大型历史建筑，曾是许多飞艇和其他飞机的建造地。
Morgan说：“当我们考虑建造一艘更大的飞艇时，我们知道自己需要为它找到另一个家，而阿克伦是飞艇行业的起源。
”目前正在筹划的是探路者系列的下一艘飞艇，其设计与探路者1号相似，但要大得多，长600英尺，直径98英尺。
Morgan表示，下一代探路者在设计上将在很大程度上追随探路者1号的脚步，在飞艇上使用大量复合材料。
这是一次设计进化，而不是一场革命，尤其是当该公司寻求适应更大的零件尺寸，并着眼于未来的商业生产、更高的制造量时。
CFRP框架构件就是一个典型的例子。
Morgan解释道：“进入下一次迭代，我们正在寻找相同的应变重量比，框架组件的性能相同，但我们需要一种大批量的制造方法。
”大约三年前，LTA在研究能够更高效、更可扩展地制造框架部件的工艺时，与Exel Composites（芬兰万塔）建立了联系，该公司专门从事复合材料管和型材的拉挤和拉缠绕。
主要目标是可重复性和体积，同时满足强度、耐久性、韧性和刚度要求。
认为Exel的拉绕工艺是最合适的。
拉伸缠绕本质上结合了细丝缠绕和拉挤：就像拉挤一样，碳纤维丝束被引导通过树脂浴，然后进入加热模具，成型为最终零件。
然而，在牵拉缠绕过程中，一些丝束不是以线性方式直接穿过，而是螺旋缠绕在芯轴周围，这可以使各种排列的纤维增加强度和设计灵活性。
与拉挤成型一样，该过程是连续的，型材随后被切割成一定长度。
2023年夏季末，探路者1号已全面建成，准备在加利福尼亚州进行飞行测试Morgan补充道：“拉伸缠绕技术给我们带来了更多的灵活性，因为这个过程使用的是丝束而不是织物，所以我们能够专门安排缠绕的铺设，以满足我们的需求。
”例如，将纤维缠绕在芯轴上，即使管壁相对较薄，也能增加管的环向强度。
此外，“与手工叠层卷绕相比，拉绕速度大约快一个数量级，甚至在足够大的生产周期内节省了成本。
”从目前的预浸料卷绕工艺转变为拉伸缠绕工艺也涉及到新材料的选择。
Exel的管子由高模量和中模量碳纤维的混合物制成，并采用了一种专有树脂，据说这种树脂是为了结合高性能和与拉力缠绕工艺的兼容性而选择的。
Exel在芬兰的研发团队一直在优化各种迭代的管道，然后将其送往LTA进行机械测试。
一旦这些管子开始大规模生产，Exel计划将生产转移到美国肯恩州Erlanger的工厂。
目前，探路者1号的成功是LTA的首要任务。
第一艘飞艇于2023年初在山景城完成，截至2023年年中，已经完成了几次室内飞行测试。
LTA表示，在今年剩下的时间里，其目标是进入下一阶段的户外飞行测试，并继续培训其认证飞行员和经验丰富的机组人员团队。
在探路者1号成功推出后，LTA的目标是最终在美国俄亥俄州阿克伦的机库中制造一系列飞艇。