美国临近空间飞行器技术发展概述

1、美国临近空间飞行器技术发展概述作者：曹秀云 时间:2010-2-4 点击率:3032图1 近空间飞行器概念示意图临近空间(Near space)通常是指距地表20100千米处的空域，其下面的空域(20千米以下)是传统航空器的主要活动空间，其上面的空域(100千米以上)是航天器的运行空间。顾名思义，临近空间飞行器就是运行在临近空间之内的飞行器。由于技术和认识上的原因，临近空间的战略价值直到最近几年才引起世界各国的重视。临近空间飞行器也因其显著特点和潜在的军、民两用价值而成为各国研究的热点。美国、俄罗斯、欧洲、韩国、英国、日本、以色列等国家目前正纷纷投入大量的经费，积极开展临近空间飞行器的技术与应

2、用研究，其中尤以美国为最，截至到目前，已经进入临近空间的两种平流层飞艇均为美国研制。但从发展总体水平上看，国外临近空间飞行器技术仍处于关键技术攻关与演示验证阶段，要获得较高的军用价值仍需实现关键技术上的突破。 (图1)临近空间飞行器的特点目前，世界各国提出了多种临近空间飞行器发展方案，研究的热点集中在平流层飞艇、浮空气球和高空长航时无人机上。其中，平流层飞艇是地球同步卫星之外另一种重要的定点平台。临近空间飞行器具有显著的特点，可以作为卫星和飞机的有效补充。与卫星相比，临近空间飞行器的优点是：效费比高、机动性好、有效载荷技术难度小、易于更新和维护。此种飞行器距目标的距离一般只是低轨卫星的1/10

3、1/20，可收到卫星不能监听到的低功率传输信号，容易实现高分辨率对地观测；其缺点是：视野小，临近空间属各国领空范围，受领空限制。与传统飞机相比，临近空间飞行器的优点是：(1)持续工作时间长。传统飞机的留空时间以小时为单位，临近空间飞行器的留空时间则以天为单位，目前正在研制的临近空间平台预定留空时间长达6个月，规划中的后续平台预定留空时间可达1年以上，易于长期、不间断地获得情报和数据，可对紧急事件迅速做出响应，而且人员保障少、后勤负担轻。(2)覆盖范围广。临近空间飞行器的飞行高度在传统飞机之上，其侦察覆盖范围比传统飞机要广得多。(3)生存能力强。气球或软式飞艇的囊体采用非金属材料而且低速运行，雷

4、达和热反射截面很小，传统的跟踪和瞄准办法不易发现。与传统飞机相比，气球或软式飞艇的缺点是：充灌氦气的时间较长，在充气时需要保持稳固，有时还需要占用机库；在放飞、通过平流层上升、下降、回收和放气的过程中，由于其庞大的体积，容易受到风和湍流的影响。临近空间飞行器的军事应用前景由于临近空间飞行器具有可持续对同一地区进行不间断覆盖、与目标距离近等优点，因此在区域情报搜集、监视、侦察、通信中继、导航和电子战等方面具备独特的优势。临近空间飞行器可对重点区域进行连续长时间监视和观测，有助于对战场进行准确评估；可作为电子干扰与对抗平台，对来袭飞机和导弹等目标实施电子干扰及对抗，使其偏离航线或降低命中率；可作为

5、无线通信中继平台，提供超视距通信。目前，美国空军为临近空间飞行器确定了多个军事应用方向，其中包括战场指挥、控制、通信、计算机、情报，监视和侦察(C41S)；近实时跟踪高价值目标；空间监视(可监视卫星而基本不受天气的影响)；导弹防御；自然灾害快速响应(用于移动电话网络和无线网络灾后重建)和边境控制等。导弹防御方面，在美国新的导弹防御计划中，美国计划从西北部皮吉特湾开始的太平洋沿岸，到美国的大西洋沿岸，再到最东北的缅因州为止，至少部署10艘高空飞艇，用来监视来袭飞机、舰船和巡航导弹。此外，美国导弹防御局正考虑在北极上空部署可控气球，用来监视和跟踪俄罗斯的导弹。美国进行模拟仿真的结果显示：在北纬83

6、°、366千米高空上部署3个气球，可连续覆盖从北极到北纬45°范围内所有的导弹发射30个这样的平台可以提供类似的全球覆盖；800个这样的平台组成的星座就可以对全球连续提供通信、情报、监视和侦察覆盖。通信方面，美国在商业领域已运用自由浮空气球实现了西部油田地区的通信。在军事领域，美国陆、海军都有运用临近空间飞行器进行通信的计划，如美国海军研究实验室正在研制高空机载中继与路由器飞行器(HAARR)，用以实现舰船之间、舰船与地面部队之间的通信。HAARR可以从舰船上出发，依靠电发动机和飞艇后部的两个螺旋桨进行机动，预定留空时间为30天，预定留空高度为2135千米，预定定点精度约为

7、37千米。HAARR从舰船上出发后，一个月后返回，由另外一艘HAARR替换。此外还有计划发展中的30千米高空飞艇，其设计载重能力将近2吨，可携带小直径炸弹、搭载机载激光器和地基激光器中继镜等，上可以攻击卫星，下可以攻击中低空飞行器甚至地面目标，也可成为进入空间的中转平台。临近空间是“陆海空天电”五维一体化战场的重要组成部分，是国家安全体系中的一个重要环节。运行在空间范围内的卫星易受干扰、成本高、部署周期长、损失后不易补充，而运行在航空范围的飞机易受打击、生存力差、损失后不易恢复。临近空间飞行器加入陆、海、空、天信息网络系统后，将进一步实现军事信息获取和利用手段的多元化、一体化，明显提高国家安全

8、体系的抗摧毁和抗干扰能力。美国临近空间飞行器技术取得的重要进展近年来，临近空间飞行器受到了美国军方的高度重视。美国陆、海、空三军、联合司令部、导弹防御局、NASA以及其他一些商业部门均在开展临近空间飞行器技术与应用研究。空军天战实验室曾主持召开临近空间峰会，召集陆、海、空三军及政府机构和工业界的100多名代表对临近空间概念进行研讨；另外，美军联合司令部也正在实施“阿尔法”计划，对临近空间飞行器如何提升联合作战概念进行研究。2005年，美国防部公布的20052030年无人机系统路线图首次将临近空间飞行器列入无人飞行器系统范畴：美国空军举行的“施里弗”空间战计算机模拟演习首次引入了临近空间飞行器的

9、概念。2006年初，美国空军科学咨询委员会发布题为在临近空间高度持久存在的研究报告，对美国空军近期(到2010年)、中期(到2020年)和远期(2020年以后)发展临近空间飞行器提出以下建议：包括RQ4“全球鹰”在内的高空长航时无人机是美国空军近期利用“临近空间”的最佳选择，平流层飞艇是一种有前景的选择，但还需要等待有关技术取得进步后才具备可行性；自由浮空气球在气象探测领域应用广泛，但军事用途相对有限。根据这些发展思路，近年来美国临近空间飞行器技术取得了许多重要进展，主要体现在：美国导弹防御局“高空飞艇”计划进入原型艇制造与演示验证阶段，DARPA“集成传感器即是结构”项目进入关键技术攻关阶段

10、；美国陆军“高空哨兵”平流层飞艇2005年11月实现有动力飞行；美国空军进行“临近空间机动飞行器”原型艇飞行试验：美国空军的自由气球“战斗天星”2005年演示验证成功等。陆军“高空哨兵”平流层飞艇美国陆军战略司令部“高空哨兵”平流层飞艇计划旨在通过螺旋式发展的方式，逐步研制出可携带22790千克有效载荷、功率为2001000瓦、留空时间为430天、留空高度为20千米、后勤保障负担小的平流层飞艇，用于实现低成本战术通信，并完成情报、监视和侦察任务。“高空哨兵”飞艇在设计上已考虑到野外部署的需要，在发射时只需部分充满氦气，发射过程中氦气膨胀充满囊体，因此发射时无需占用大型飞机库和专用设施，易于野外

11、部署。2005年11月，在一次技术验证试验中，美国成功放飞一艘长44，5米的“高空哨兵”飞艇。试验中，飞艇载有一个重约27千克的设备吊舱进入2255千米的高空，并留空5小时。这是美军在临近空间实现有动力飞行的第二艘飞艇。导弹防御局高空飞艇(HAA)计划美国导弹防御局从2003年开始实施高空飞艇先期概念技术演示计划，旨在验证一种可携带多种有效载荷、能在临近空间长航时飞行的飞艇，并评估其军事效用。2003年9月，HAA先期概念技术验证计划完成概念定义，开始进入原型艇设计与风险降低阶段2004年11月正式开始原型艇制造与演示验证；2005年12月，美国导弹防御局授予洛克希德马丁海运系统与传感器分公司

12、原型艇制造和演示验证阶段合同，开始制造原型艇：目前定于2008年进行用户评估，2010年进行任务艇开发。按照设计，高空飞艇长1524米，直径487米，充氦气，留空高度约20千米，体积为150万米3。(? 似有误 ,本刊编者) 原型艇留空时间为1个月以上，可携带227千克有效载荷，功率为3千瓦；任务艇留空时间为1年左右，可携带1816千克有效载荷，功率为15千瓦。其主体结构采用柔韧的纤维复合材料，既轻便又坚固。飞艇上安装4个螺旋桨(飞艇两侧各2个)，飞艇表面安装薄膜太阳能电池组，飞艇配备可覆盖直径1200千米圆形区域的监视雷达和其他传感器。高空飞艇是美国导弹防御系统的一部分，其主要任务是监视可能

13、飞向北美大陆的弹道导弹和巡航导弹等目标。DARPA“集成传感器即是结构”项目DARPA“集成传感器即是结构”(Integrated Sensor is Structure,ISIS)计划目前正处于关键技术攻关阶段。ISIS项目计划将大型轻质相控阵雷达集成到飞艇结构之中，研制一种可在21千米高空执行监视任务的平流层飞艇，以对所有空中和地面目标进行不间断的持续监视。按照计划，该飞艇可留空1年以上，利用其有源相控阵雷达对空中和地面目标进行监视和跟踪，并可在595千米之外跟踪最先进的巡航导弹，在322千米之外跟踪敌方战斗部队。该计划目前面临的主要技术挑战包括：研制超轻质天线、天线校准技术，电源系统技术

14、，飞艇的定位保持方法，可支持超大尺寸天线的飞艇结构等。2006年4-6月，DARPA相继授出4个合同，分别资助3家公司对飞艇囊体材料、有源电扫描阵列雷达和电源系统进行关键技术攻关。空军基于气球的“战斗天星”美国空军目前正在探索利用自由浮空气球、自由浮空气球/无人机组合来实现临近空间的通信和监视，其典型代表为美国空军的“战斗天星”(Combat SkySat)计划。“战斗天星”计划将分两个阶段进行第一阶段方案是自由气球下挂美国空军信息战实验室研制的蓝军跟踪转发器；第二阶段方案是：自由气球下挂滑翔机(携带高分辨率ISR传感器)，自由气球一次性使用，滑翔机可重复使用。2004年11月2005年3月，

15、美国空军航天司令部在亚利桑那州上空对“战斗天星”的简易样机进行了多次飞行试验。试验中，两个充氦自由气球在20千米的高空飞行了8小时，将美国陆军信息战实验室研制的蓝军跟踪转发器RC148的通信距离由185千米扩展到555千米，覆盖范围与伊拉克国土面积相当，可明显改进地面部队之间以及地面部队与空中支援飞行员之间的通信。2006年4月，美国空军在“联合远征部队试验”中再一次对“战斗天星”进行了验证。这些演示试验证明，临近空间飞行器能够提供近空间通信支援，可作为卫星和无人机的补充。美国空军计划进一步提高自由浮空器的技术成熟度，使其可携带更重、更昂贵的有效载荷。2006年3月，空军航天司令部向工业界征求

16、关于发展气球载综合通信中继系统的建议，并于9月授予“战斗天星”的供应商空间数据公司一项价值4900万美元、为期5年的合同，研制一种在距地面1931千米的临近空间使用的通信系统。空军“临近空间机动飞行器”美国空军目前正在积极开发采用充氦飞艇完成空中侦察、战损评估、通信任务的技术，其典型方案为JP宇航公司为空军研制的“临近空间机动飞行器”(NSMV)。20032005年，美国空军对NSMV的原型艇“攀登者”(Ascender)进行了试验。2003年11月，美国空军将未携带任何设备的“攀登者”释放到30千米的高空进行初期试验，并获得成功。2005年3月，美国空军进行了两次“攀登者”裸机的30千米高空

17、飞行试验，但均未达到预期目的。在第一次飞行试验中，气囊发生了爆炸，在第二次试验中，搭载的相机未能正常工作，没有获得所需的数据。“攀登者”外形酷似V字型，全长53米，宽30米，安装有两台由燃料电池驱动的螺旋桨推进器，采用GPS系统导航。“攀登者”可利用自身携带的控制系统调节各舱室的氦气容量，进行空中机动。“平流层卫星”(Stratellite)2005年3月12日，美国Sanswire网络公司展示了其研制的“平流层卫星”样机。该样机长57米，体积是目标艇的1/3。2005年5月9日，Sanswire网络公司完成了该样机的浮空试验。“平流层卫星”的预定飞行高度为1921千米，预定留空时间为半年，备

18、有GPS导航系统；用空气螺旋桨实现低速移动；能量来自背部的太阳能电池板。可携带多种仪器设备，如用于因特网、高清数字电视、图像传播以及通信网络的数据中继设备。多个“平流层卫星”可以组成一个大规模的中继站网络，能够覆盖美国全境。国外典型的临近空间飞行器计划及其进展情况“高空侦察机”(HARVe)美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室正在研制一种折叠后可用巡航导弹或可重复使用火箭发射的充气式飞艇“高空侦察机”。按照设计，HARVe被发射到距海平面90千米高度后，膨胀并下降到2130千米高度的目标区域上空某点，可留空两周到一个月，执行监视、通信任务。完成任务后，飞艇或者解体，或者被摧毁。2005年7月，约翰霍普金斯大学制造出一架长518米的氦气软式HARVe