浅析临港空间飞行器的军事价值

浅析临港空间飞行器的军事价值

附近空间通常指的是距地面20.100公里的普通飞机空间和卫星轨道空间之间的空间，没有明显的物理或几何标志。它大致包括:大部分大气平流层、全部中间层和部分热层区域。在这样的空间区域,既可以避免目前绝大多数的地面攻击,又可以提高军事侦察和对地攻击的精度,对于情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等,具有极大的发展潜力。长期以来由于没有充分认识和挖掘临近空间的军事应用价值以及技术上的限制,从而缺少系统性、战略性地开发利用。然而,目前由于军事需求的牵引和技术进步的推动,临近空间飞行器引起了世界各国的广泛关注。2005年2月4日至11日,美国空军“施里弗-3”军事演习首次将临近空间飞行器纳入了作战视野。1高速临近空间航天器临近空间飞行器是指主要在临近空间区域内飞行并完成特定任务的飞行器。临近空间飞行器可以有多种分类方式,目前常采用的分类方式如表1所示。低速临近空间飞行器主要利用空气的浮力和飞行器运动产生的升力,有平流层飞艇、高空气球、高高空无人机等。这类飞行器一般无人驾驶、飞行速度慢(亚音速)、滞空时间长(续航力强)、信息获取处理能力强,主要用于探测、侦察、情报收集、通信等。高速临近空间飞行器主要采用高超音速下的高升阻比气动外形、高超音速无动力滑翔或高超音速吸气式推进技术,有高空侦察机、高超音速飞行器、亚轨道飞行器等。这类飞行器一般无人驾驶、飞行速度快(数倍音速)、升空时间短、攻击能力强,可进行天地往返运输,还可用于摧毁敌方空间系统、拦截弹道导弹和对地进行精确打击等。2近自然空间航天器的发展目标近年来,临近空间飞行器受到了美、俄、法、德、日等很多国家的广泛关注,它们对于临近空间飞行器的相关技术、功能、应用价值展开了积极的探讨与研究,并制定了一系列的发展计划。国内也已经开展了一些相关的研究,但目前主要处于方案论证与关键技术攻关阶段。2.1低速连续空间飞机2.1.1平流层让天气动物探测自20世纪60年代开始,国外开始进行平流层飞艇的研究,但受到关键技术的制约,研究进展缓慢。进入20世纪90年代后,随着非刚性结构材料、柔性太阳能薄膜电池、再生式燃料电池和电推进等技术的突破,平流层飞艇的研究开始了一个新的阶段。目前,大多数研究还处于方案论证或试验阶段。美国JPAEROSPACE公司与空军科罗拉多州施里弗基地空间战实验室和空间战中心目前正在共同研制“攀登者”V形临近空间机动飞行器(其可能仅为一概念设计,数据未经证实),实际上是一种高空飞艇,长53m,宽30m,飞艇内部充填氦气,采用螺旋桨推进系统,能在30~50km的高空长时间飞行。自身携带的控制系统可以调节各舱室间的氦气容量,以进行空中机动。“攀登者”军用飞艇造价仅为50万美元,是美国空军重点建设的一个高空飞行器项目。2.1.2超长航时气流由美国航空航天局(nationalaeronauticsandspaceadministration,NASA)与Raven工业公司研制的超长航时气球,成本约50万美元,用超压气囊作为动力,飞行高度约30~35km,续航时间700d,载荷重量90kg。目前正处于试验阶段。2.1.3全球最大飞行高度记录的：heloshpa1美国NASADryden中心和AeroEnvironment公司联合研制的太阳神Helios代表了目前高高空无人机的最高水平。Helios太阳能无人机的翼展75.3m,翼弦2.44m,翼厚0.29m,飞行时的总重量为929kg,其中载荷重329kg(包括压舱带、电子设备、备用能量系统等),空机重600kg。Helios有14个特别设计的螺旋推进器,分别由14个1.5kW无刷直流电机驱动。2001年8月13日,Helios原型机HP01进行了第二次试飞,达到了28.95km的高度,创造了不用火箭为动力的无人机的最高飞行高度记录。目前,AeroEnvironment公司仍然继续高高空无人机的研究,重点在燃料电池的应用。2.2高速域空间飞机2.2.1高速战略照片气动气动并进行拍摄早在20世纪60年代,世界上就出现了在平流层飞行的侦察机,如U2高空侦察机和SR-71、D-21等超音速侦察机。D-21是在20世纪60年代,由美国洛克希德·马丁公司臭鼬工作队在研制SR-71的同时研制的。美方对该机极为保密,直至1994年才公开该型号。该机是一种一次性使用的战略无人侦察机,用于对敌后方的各种军事设施进行远程、高速战略摄影侦察。D-21的典型战术是带火箭助推器,由B-52吊挂起飞,投放后由火箭助推器加速至马赫数3.28,冲压发动机开始工作,此后在发动机作用下飞机保持等马赫数爬升至24~25km。在24km以上,飞机以马赫数3.4做长时间侦察飞行。侦察完成后返航至回收区,将特设舱用降落伞回收,飞机自毁。飞机侦察航线一般为弧形航线。2.2.2基本可行方案从20世纪50年代提出高超音速飞行概念以来,世界各国在超燃冲压发动机和高超音速飞行器一体化设计有关技术方面进行了大量的研究。经过几十年的努力,美、俄、法等国近年来相继取得技术上的重大突破,并确立了基本可行的技术路线。2001年,NASA和美国国防部联合提出了国家航空航天倡议,建议美国发展高超音速飞行器分3步走:①近期致力于攻击关键目标的超音速/高超音速巡航导弹;②中期集中于发展能够实现全球到达的高超音速轰炸机;③远期瞄准可承担得起和及时进入太空的重复使用的运载器。NASA的“高超音速飞行器试验”(Hyper-X)计划是在飞行环境下,演示验证以双模态超燃冲压发动机及组合巡航发动机为动力的一体化试验飞行器的总体性能,并为研制高超音速飞行器发展设计方法和试验手段。Hyper-X计划的启动证明美国高超音速飞行器技术已开始从实验室研究进入飞行试验研究的新阶段。2.2.3亚轨道航空器太空船在大气监控的应用,主要考目前商业公司对亚轨道飞行器的开发非常积极,有多家公司开始了自己的亚轨道飞行器的开发,主要用于商业用途,但设计中都考虑了军事使用的可能性。已获得成功的亚轨道飞行器只有太空船一号,并获得了X大奖。其用途是进行太空商业旅游开发,搭载游客。太空船一号需要使用助推飞行器“白骑士”送到高空,分离后靠自身的火箭发动机爬升,进入接近100km高空,然后返回。太空船一号在飞行的不同阶段可以变换自身的气动外形。3高空高速智慧旅游产品主要为小高能飞行总的来看,临近空间飞行器的发展趋势是长航时(数月)或高速度(高超音速)。对于飞艇,目前正在从关键技术攻关向高空试验发展,解决试验中出现的各种问题,如氦气泄漏等。对于高空气球,技术相对成熟,系留气球和自由漂浮气球正向实用化发展。但自由漂浮式高空气球的军事用途相对有限,因为它对天气,尤其是风过于敏感。高高空无人机的主要发展趋势为:应用再生式燃料电池;提高光电池效率,增大功率;增长翼展,增加发动机数量;增长飞行时间(大于6个月);增加有效载荷,使得具有更强的实用性。对于高超音速飞行器(马赫数达到8~20的持续巡航飞行器),由于飞行中要遭遇很高的表面温度、操纵和机动性困难、离子化的边界层(这使传感器的运行非常困难)以及强烈的红外特征,所以开发难度极大。马赫数小于8以下的小高超飞行器,以目前的技术发展水平来看,较为容易实现。因此,临近空间高超音速飞行器近期的发展重点可放在较为稳妥、可行的小高超巡航飞行器上,这也符合高空高速平台循序渐进发展、逐步扩展飞行包线的发展规律。对于火箭助推滑翔飞行器,X-15是一种研究性的试验飞行器,太空船一号则是一种亚轨道飞行器,由于航程和覆盖范围有限,除了提供亚轨道飞行体验外,缺乏现实的军事应用价值。从发展趋势来看,火箭助推滑翔飞行器较有价值的应用方向是远程打击。4附近空间飞机的应用前景4.1道平台与综合侦查监视与临近空间飞行器相比,航空平台的分辨率较高,但是其覆盖范围有限,不能长时间驻留,并且其生存能力较低;轨道平台则更多地用于战略层次的任务,分辨率和对特定地区的覆盖率都不如临近空间飞行器。航空平台、临近空间平台和轨道平台配合使用,可以实现平时和战时任务区域的全方位、全时段的综合侦察监视。作为侦察监视平台,临近空间飞行器不仅可用于战场态势感知,还可用于海洋监视、气象监测、打击效果评估、灾情监测、空中预警和反导拦截等。4.2传播损耗特性临近空间飞行器作为通信平台可以广泛应用于军事和民用通信。与卫星通信相比,其优势是高容量、高频率利用、传播损耗特性好(比同步轨道衰减少65dB)、时延小、发射功率低,易于实现通信终端的小型化、移动化,建设周期短,管理、维护和升级容易,成本低;与地面无线通信相比,临近空间通信平台的覆盖范围大、发射功率低,建设周期短、易于升级,通信不受地形的限制,可以全天候连续工作。4.3有利于提高作战效能临近空间飞行器由于生产和使用成本低、活动区域广、没有人员危险等特点,有着其他空域电子对抗设备无法比拟的优越性。特别是,临近空间飞行器可以在目标上空长期驻留,进行不间断的电子对抗。临近空间飞行器可以干扰敌方地面和海上的警戒、搜索引导、目标指示雷达,减少敌雷达发现目标和预警的时间,为我作战飞机、导弹等提供长时间的电子支援干扰,从而提高这些作战武器在作战过程中的突防能力、作战效能和生存概率。临近空间飞行器还可以发射高强度的卫星导航干扰信号,从而降低了敌方的作战效能;同时,临近空间飞行器也可以发射增强的卫星导航信号,压制敌方对我卫星导航信号的干扰。4.4可移动的地面发射器临近空间飞行器作为新一代运输工具,可以在高于现有防空能力的空域运输部队,做到强火力混编作战单位的大范围、高机动投送。美国已提出“海象”(walrus)计划,研发1000t的洲际飞艇,期望它能承担一个完整武装旅的运输,使之成为可移动的“战斗堡垒”。巨型临近空间飞行器也可作为地面到轨道之间的运载器,将诸如宇宙飞船、人造卫星等航天器运抵预定高度并发射入轨。另外,巨型临近空间飞行器在临近空间犹如一个“临近空间站”,也可作为临近空间飞行器系统(设备)的补给和维修平台。4.5临空间航天器的优势目前,在航天航空、空间武器等先进技术领域开展演示验证的一般方法是采用航天器搭载试验。这种试验可以真实模拟设备的实际工作环境,但也存在搭载机会难得、搭载费用高、搭载风险大、无法回收、演示试验受到搭载航天器本身功能限制等问题。而采用临近空间飞行器作为搭载平台,则可以在一定程度上弥补天基搭载平台的不足,其优势主要体现在3个方面:①演示试验范围广,费用低;②试验设备可回收,风险小;③可以进行新技术的先期演示验证。4.6危机助力的战略威慑作用搭载一定的武器装备后,低速临近空间飞行器可以长时间在战区上空巡航,一旦需要,可以从空中迅速对敌地面战略目标实施打击,这种居高临下的突然性攻击可极大地压缩预警反应时间,提高突防能力,具有很强的战略威慑作用。一旦威胁解除,还可以回收部署。高速临近空间飞行器作为武器平台时,具有机动速度快、覆盖范围大、高空作战不受气候条件限制等特点,可以使用常规弹药、高能微波武器、高能激光武器等对敌方高价值目标进行快速、精确打击,还可以远程拦截敌方现役和未来可能部署的多种空天进攻平台。5空天一体化和航天航空技术融合发展的必要性未来要赢得战争不仅要争夺制海权、制空权,而且要争夺制天权,在这种情况下,空天军的建制就不可或缺。近2年俄军明确提出要按照军种活动的自然领域建立陆海空三军,其中要建成“在空中-太空活动”的“新空军”。美国在《2020空军构想:全球警戒、全球到达和全球力量》中确定了未来美空军发展的核心思想,即建设一支航空航天一体化的空军部队。目前,所谓空天一体化,一般是指空天力量的一体化,就是外层空间力量与低层空间力量相交联,组成全维一体化力量,进行全维一体化作战,这既是新军事变革的一个重要特征,也是一个不可逆转的趋势。近年来几场有代表性的局部战争表明,现代战争的胜利越来越离不开航空力量与航天力量的有效结合。强大的信息支援与多层次的作战平台相结合,必然能够发挥出更佳的战斗效能,空天一体化已经成为未来空中力量发展的必然趋势。随着临近空间技术的发展与力量的形成,空天一体化将从质上发生新的变化,一定会产生“2+1>3”的一体化效益。临近空间飞行器的发展不仅会对空天力量一体化产生巨大的影响,而且会极大地促进航天航空技术融合发展。航天航空技术都是以本专业特有技术为核心,吸纳、融合相关前沿技术而成的综合性高技术。它们有着共同的核心技术学科,如空气动力学、喷气推进、结构力学、自动控制等。有鉴于此,美俄等国正在积极发展空中卫星发射技术、超燃冲压发动机等空天融合技术。同时,航天航空技术又有着各自不同的工作环境和使用要求。从目前的装备来看,航空装备在飞行速度、飞行距离等方面具有局限性;航天装备则在快速进入空间、周转时间和运输成本等方面有明显的不足,这些差异就是二者融合发展的前提,实现航天航空技术优势互补,就成为航天航空技术融合发展的动力,也是临近空间飞行器发展的现实需要。航天航空技术融合发展的结果,将是产生新型空天武器系统的基础。备受青睐的空天飞机就是一个很好的例子,它是一种介于航天飞机和普通飞机之间的飞行器,它能够以普通飞机的方式起飞,能在30~100km高的大气层中作极超音速飞行,能够直接加速进入低层轨道,完成航天航空任务后再返回大气层,并能水平着陆。6