物美價廉的臨近空間長航時平臺

文/ 蘭順正

編者按：2017年10月25日凌晨3時57分，深圳光啟集團自主研制的臨近空間飛行器“旅行者3”號（海口號），在新疆攜帶活體烏龜成功進入海拔21公里的臨近空間，開展實驗任務和進行關鍵技術驗證，并于當日8時28分降落在預定區域，被成功回收。烏龜生命體征正常，試飛獲得圓滿成功。這是全球首次浮空器成功攜帶活體動物進入臨近空間停留，標志著我國臨近空間飛行技術達到了一個新的技術高度。許多讀者由此對臨近空間飛行器產生了濃厚興趣，希望進一步了解臨近空間飛行器的有關情況。為此，我刊特約著名軍事評論員蘭順正先生對兩類臨近空間飛行器進行詳細介紹。

近年來，“臨近空間”的概念開始頻頻進入人們的視野。臨近空間又稱為近太空、亞軌道、超高空，國外也有人稱之為橫斷區、近空間。國際航空聯合會將其范圍確定在23千米～100千米，但目前大多數專家傾向于把臨近空間的范圍定義為20千米～100千米，介于現有航空器最高飛行高度和航天器最低軌道高度之間。臨近空間高度范圍包括大氣層中平流層、中間層和熱層，其環境特點是大部分區域空氣密度和溫度都很低，自然條件嚴酷，但氣象狀況沒有傳統航空空間復雜，雷暴閃電較少，也不會出現云、雨和大氣湍流現象。目前的臨近空間平臺主要有臨近空間高超聲速飛行器和臨近空間長航時平臺。

物美價廉的臨近空間長航時平臺

文/ 蘭順正

臨近空間長航時平臺指的是飛行高度在臨近空間，能長時間留空執行任務的飛行器，這其中比空氣輕的主要有超高空氣球和平流層飛艇，比空氣重的則有臨近空間長航時無人機。

▲ 英國Airlander-10飛艇

高空氣球與飛艇

在二十世紀六七十年代，高空氣球常用于高空飛行試驗。近幾十年，隨著科學技術的發展，一些關鍵技術，如蒙皮材料技術、氣球超壓技術等，有了很大突破，使得高空氣球開始逐步用于科學觀察等目的。中國在這方面的成績有目共睹，2017年9月10日，由中科院光電院研制的超壓氣球在內蒙古首飛取得圓滿成功。該氣球球體體積約7000立方米，設計升限25公里，載重能力約150千克。在飛行中還搭載了四類五種載荷，成功完成了高空無人機投放、高空吊艙環境熱控、高空農業育種、高空太陽能電池標定和高空太陽能電池性能測試等試驗，取得了大量有效的試驗數據，其中多項試驗均屬國內首次。同年10月25日，中國自主研發的旅行者3號臨近空間氦氣球在新疆測試飛行成功。旅行者3號在升空一個多小時后到達20公里以上高空的稀薄空氣中，共飛行了四個多小時，期間順利完成了一系列技術測試。

飛艇是氣球技術與操縱技術和推進技術的有機結合，一戰的爆發使飛艇技術完全成熟起來，在一戰中各國對飛艇的軍事應用也達到過高潮，但由于飛艇飛行速度慢、抗風能力差，再加上所填充的氫氣易燃的缺點，其地位逐漸被飛機所代替。1937年5月6日，興登堡號飛艇失事后，飛艇逐漸被天空所遺忘了。但隨著技術的發展，此類浮空器的性能大為提高，已能在近空間停留數月乃至一年，其巨大的軍用價值再次引起了各國的注意。

臨近空間長航時無人機

臨近空間長航時無人機一般以太陽能為動力，能在空中長時間逗留。目前，國外已經發展了十余型臨近空間超長航時無人機，在美國，極光飛行科學公司和通用原子公司分別研制了帕修斯和阿爾塔斯等無人機，用于颶風跟蹤探測。波音公司研制了禿鷹無人機用于廣域偵察監視領域，并嘗試向預警探測領域拓展；正在研制的鬼眼無人機，瞄準了戰區通信中繼應用需求。在美國宇航局的支持下，航空環境公司研制了“太陽神”系列太陽能無人機，以滿足高空大氣環境研究和高空通信平臺等應用需求。面向廣域互聯網接入應用需求，谷歌公司正在研制索拉拉太陽能無人機，臉書公司正在研制天鷹座太陽能無人機。此外，英國以驗證太陽能動力飛行的相關關鍵技術為目標，研制了“西風”系列太陽能無人機，其最新型號西風-8無人機已被英國國防部采購。2017年6月由我國自行研制的彩虹太陽能無人機在臨近空間高度成功試飛，使中國成為繼美、英之后第三個掌握臨近空間太陽能無人機技術的國家。

臨近空間長航時平臺的特點

以平流層飛艇為例，臨近空間長航時平臺的特點有：

▲ 美國太陽神號太陽能無人機

① 效費比高

和軍用飛機與衛星相比，平流層飛艇的生產成本相對低廉。高空長航時無人機的價格往往為上千萬美元，預警機和衛星的價格甚至達到了數億美元。相比之下，一個40米長的小型軟式飛艇的價格約為200萬美元。

② 持續及定點工作時間長

與軍用飛機相比，平流層飛艇的最大優勢是可以滯留于空中。飛機在空中的飛行時間通常以小時來計算，而飛艇則是以天甚至月來計算，這使得它能夠長時間持續工作；飛艇能夠定點工作，與飛機或衛星的越空飛行相比，平流層飛艇能夠在目標地域上空懸停，如果其上安裝了各種傳感器，就可以對目標進行持續、定點探測。

③ 相對安全

與其他航空器相比，平流層飛艇相對安全。其安全性主要體現在：一是由于平流層飛艇重量輕、結構疏松，可采用無金屬骨架的軟體結構，且需要的動力很小，因此飛艇的外部信號特征，尤其是雷達截面積和紅外輻射強度都很容易采取措施以降低，一定程度上達到了隱身的效果。二是飛艇的囊體內外壓差小，即便是受到炮火攻擊，內部填充的氦氣泄漏速度也比較慢，通常可以有充裕的時間返回基地或著陸，不會立刻導致災難性后果。三是目前的技術使得平流層飛艇能夠處于20公里以上，這樣的高度已超過了現在世界上絕大多數作戰飛機的攻擊高度和地空導彈的射高，所以部署平流層飛艇相對安全。

④ 偵察視野寬

在20公里以上高度飛行的平流層飛艇，視野比較廣闊，其雷達對地面偵察覆蓋面積可達1200平方公里。平流層飛艇的飛行速度比飛機慢，而且能在目標地域上空懸停，在飛艇上安裝的雷達之類的傳感器能更容易探測到小型目標。同時相較于衛星，平流層飛艇的飛行高度低，從而能以更高的分辨率進行拍照攝像。所以平流層飛艇可部分承擔衛星的功能，是未來太空衛星的有效替代和補充，又被稱為偽衛星。

⑤ 載荷限制少

平流層的空氣活動不劇烈，飛艇能安靜平穩地完成升降和飛行，這對其攜帶高科技監視設備至關重要。平流層飛艇可以設計得很大，一般長度均在150米以上，可以在氣囊中攜帶大型雷達天線，而此雷達天線的形狀和尺寸幾乎不受限制。平流層飛艇的大載荷能力，使其還能容納巨型高分辨率光學望遠鏡和一系列其他遙感設備，以及目標追蹤器、通信設備、電子戰設備等。

⑥ 戰場適應能力強

由于結構重量輕、采用無金屬骨架的軟體結構以及非常小的動力需求，使飛艇在隱蔽性方面還有很多的潛力可挖，從而易于躲避敵方的探測。同時，平流層飛艇不需要固定的機場和跑道，具備垂直起降功能，只需要簡單的開闊地即可，適于部署在地形復雜的山嶺和海島地區。

⑦ 無線通信及時準確

平流層通信平臺是介于地面通信和衛星通信之間的空中通信平臺。平流層通信比地面無線電通信覆蓋面積大，電波不會受到地面建筑物的干擾；與衛星通信相比，飛艇距離地面近，電波的往返距離短，能量損失小，傳播時間大大縮短；平流層通信對地面終端所需功率要求小，有利于終端設備實現便攜、手持和小型化。

各國近空間長航時浮空器研制概覽

鑒于近空間長航時浮空器的諸多優點，目前很多國家均展開了近空間長航時浮空器的研制。

美國在研的近空間浮空器項目主要包括洛·馬公司的高空飛艇（HAA）項目和傳感器結構一體化飛艇（ISIS）項目、西南研究院的高空哨兵項目以及谷歌公司的谷歌氣球項目。HAA飛艇與ISIS飛艇的用途主要是為美軍提供定點通信、情報、監視和偵察能力，可以布設多艘飛艇組網實現廣域覆蓋。2011年7月，HAA驗證艇進行了首次飛行試驗。在2008年和2010年，高空哨兵飛艇先后開展了兩次飛行試驗，在升空至20公里的高度后，部分系統發生故障，留空時間僅有數小時，均未達到預定留空目標。2012年以后，谷歌氣球項目進展迅速，從谷歌公司首次公開此項目到現在，谷歌氣球的留空時間由數十小時發展到環繞地球飛行半年以上。同時美國雷神公司也成功研發了塘鵝巨型飛艇，該飛艇長約70米，自重約16噸，載重量約為66噸，能攜帶大型雷達在30公里的高空長時間工作。美軍計劃在東海岸部署這種飛艇，用于防御來襲導彈和其他飛行器，據模擬，三艘“塘鵝”就可以監控北緯45°以北地區，30艘就可以初步監控全球。

英國的飛艇技術在世界上也同樣位于前列，在英國當地時間2016年8月17日，英國混合空中飛艇（HAV）公司研制的全球最大飛行器Airlander-10完成了它的首次試飛。Airlander-10身長92米、寬44米、高26米，載重量達10噸，飛艇內部填充了約3.7萬立方米的氦氣。HAV公司表示，Airlander-10最多能夠在空中手動航行連續五天時間不間斷飛行，無人自動航行則可以連續兩周時間不間斷，適用于緊急救援、空中監管、旅行載客和物資運輸等應用場景。

中國在飛艇領域的相關研究始于“十五”期間，近年來多所高校、科研院所開展了方案論證、關鍵技術攻關等研究工作，近期部分民營企業也投入到近空間飛艇的研制過程中。其中，北京航空航天大學在“十一五”和“十二五”期間完成了多次高空飛行技術驗證，在超壓囊體、循環能源、動力推進、飛行控制和發放回收等飛艇關鍵技術研究上取得了重要突破。2015年10月，北京航空航天大學、北京南江空天科技股份有限公司共同完成了圓夢號近空間飛艇的較長時間留空飛行試驗，實現了可控飛行與完好回收，同時開展了近空間寬帶數據傳輸、語音圖像傳輸、對地觀測與空中態勢感知等初步應用試驗，獲得大量試驗數據，試飛取得圓滿成功。★

薛滔

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臨近空間飛行器在民用領域的應用

臨近空間高超聲速飛行器具有顯著的軍用價值，但同時其技術成果也可應用于民用領域。

氣象預測

近些年來，氣象預報的預測能力越來越強，氣象部門不僅可以提供半個月的天氣趨勢情況，甚至還可以精確預報某一時段、某一區域的氣象情況。

在中國氣象局推進的監測預警工程中就有瞄準航天工程對臨近空間保障的需求的建設內容。目前，中國氣象局空間天氣監測預警中心已建成中頻雷達和光學干涉儀，能夠觀測到30公里～120公里區間內的大氣成分、大氣密度、溫度、風等要素。

災后救援

在發生山體滑坡、泥石流、洪水、地震等自然災害時，在臨近空間，利用飛艇搭載圖像采集設備，采用熱成像技術，可以對整片災害區域進行長時間值守，不受光線環境限制，而且可以進行熱源探測，有助于及時發現幸存者，與傳統救援方式相比，其監控范圍大、持續時間長。

近太空旅行

目前，受身體條件和昂貴的費用限制，除了航天員，普通民眾很難有機會進入外太空。但是利用臨近空間飛艇，或許在不久的將來，將實現人們近太空旅行的夢想。

臨近空間飛艇的造價低、安全性好、乘坐舒適，只需數小時即可往返于近太空和地面之間，因此只要是身體健康的普通人，花費較少的費用，就可以進入20公里～40公里的近太空，體驗一段神奇的近太空之旅。