臨近空間的武器裝備發展及趨勢簡析

馬少維

(中國人民解放軍31511部隊，北京 100144)

0 引言

進入21世紀以來，世界各軍事強國爭相開展了“制臨近空間權”的角逐。搶先進入臨近空間、控制臨近空間和利用臨近空間，已成為當前世界各國國家安全和軍事發展戰略的重要內容。以美國為首的西方強國經過探索和研究，目前已經在臨近空間作戰研究工作方面取得一系列成果。

本文針對臨近空間武器裝備的研究現狀和軍事應用前景展開討論，分析了國內外臨近空間武器裝備的發展及趨勢，并分析了臨近空間飛行器在軍事應用方面的優勢。在此基礎上闡述了臨近空間飛行器的未來應用前景，為臨近空間領域的探索及臨近空間飛行器的研究和發展提供了思路。

1 開發臨近空間武器裝備的重要意義

臨近空間，是介于普通航空飛機的飛行空間和航天器軌道空間之間的區域。一般定義為距距地面20～100 km的空域，包括大部分平流層、全部中間層和部分電離層，介于傳統的空天之間。臨近空間飛行器裝備(near space weapon)是指利用臨近空間，用于破壞與干擾空間目標(距地面100 km以上)及實施通信、遙測、偵查、輸送、攔截和打擊陸地、海洋與空中目標的飛行器的統稱。臨近空間飛行器的獨特優勢主要包括：

一方面，臨近空間具有相對安全且廣闊的工作環境。臨近空間以下，目前絕大多數的作戰飛機、偵察飛機和地空導彈都沒有辦法到達這一高度，對著可望而不可即的臨近空間飛行器，也只能“干瞪眼”；而臨近空間以上，目前的外太空武器也還沒有進入實戰階段，面對臨近空間的威脅，太空中的衛星們或許看得到卻也動不得。如此一來，臨近空間便成了目前一段時間內相對獨立的“真空”層。再加上臨近空間沒有雷暴閃電也沒有云、雨和大氣湍流現象，在這里的飛行器就顯得自由且安全。

另一方面，性價比高是臨近空間飛行器的又一優勢。與飛機等航空器相比，臨近空間中的浮空器和氣球留空時間長，可以長達幾天、數月甚至更長時間；同時現有的飛艇類飛行器隱身性能更好。與衛星等航天器相比，發射成本較低；而它的靈活度和靈敏度高得多，既可以隨風飄浮，也可以瞬間加速追蹤、打擊，或者懸停，而且對地觀測分辨率通常要高于衛星。

從發展總體水平上看，浮空器和氣球類裝備的研制仍處于關鍵技術攻關與演示驗證階段；而高超聲速武器已經進入工程研制階段，俄羅斯甚至已經開始戰斗值班。準確掌握外軍在臨近空間武器裝備研究領域的進展和發展趨勢，對于制定正確的臨近空間發展策略，控制和利用臨近空間具有重要的意義。

2 世界各國臨近空間武器裝備的發展現狀

美軍認為，臨近空間飛行器可以包括飛艇、氣球、高空長航時無人機、遠距離滑翔式、巡航式飛行器等多種形式。按飛行速度，一般可分為低動態飛行器和高動態飛行器兩類。因此，這里針對這兩類飛行器的各國研究現狀進行分析。

2.1 低動態飛行器

美國在臨近空間發展低動態飛行器，主要包括氣球和飛艇、無人機三類，主要有2個特點：一是將一些新研制的或正在開發的先進傳感器系統集成到現有飛艇上，使其用作國土安全保障系統或用于軍事通信、偵察和監視平臺；二是發展超大型運輸飛艇。目前已經研制成功的典型飛行器有“攀登者”(Ascender)飛艇、“戰斗天星”(CombatSkySat)氣球、HAA高空飛艇、“近空間機動飛艇”(NSMV)、高空“哨兵”(HiSentinel)、“海象”(Aalrus)運輸飛艇、“快速初始部署浮空器(RAID)、“黑暗空間站”和“軌道攀登者”飛艇等。除了飛艇形式的臨近空間低動態飛行器外，美軍還在加緊研究能飛行于臨近空間高度的無人機，如美國諾斯羅普-格魯門公司的RQ-4A“全球鷹”無人機已經投入使用，該無人機可在21 km以上高度執行42 h任務，其有效載荷能力在1800 kg以上；在研的無人機包括可飛行于高度20 km左右的“大黃蜂”無人機，飛行于高度在20 km左右、連續飛行時間在一周左右的“全球觀察者”無人機，以及飛行于高度在30 km左右、連續飛行時間為數周或數月的“太陽神”無人機等，如圖1所示。

圖1 “太陽神”無人機

國外開發平流層高空氣球的研制單位較多，其先進水平的代表為美國NASA研制的超壓、長航時高空氣球(ULDB)，最高可達48.7 km的高度，可攜帶680 kg有效載荷，如圖2所示。目前國內以中國科學院高能物理研究所等從事該方面的研制工作最具代表性，該所研制的4 m×10 m高空氣球的飛行高度已達到40 km，該所研制6 m×10 m的氣球，最大發放有效載荷質量1500 kg，飛行高度為40 km。

圖2 ULDB

2.2 高動態飛行器

高動態臨近空間飛行器主要可分為兩大類：以火箭為動力的高超聲速飛行器(HRV)和以吸氣式發動機為動力的高超聲速飛行器(HAV)，如高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機等。

2006年美國防部下屬的DARPA和空軍聯合提出了一個雄心勃勃的計劃——“FALCON”(獵鷹)計劃。該計劃的核心就是要研制一種可重復使用、可再入大氣層、以高超聲速飛行、無人駕駛的空天飛機，遂行偵察任務。該計劃將采用一種漸進式的技術開發方法，研發高超聲速武器系統的通用技術，并進行演示驗證。超聲速武器系統部分包括通用航空器(CAV)、增強型通用航空器(ECAV)和超聲速巡航飛行器(HCV)。后來DARPA和空軍按照國會的意向，將FALCON計劃中的CAV重新命名為HTV，并研制了樣機HTV-1和HTV-2，如圖3、圖4所示。其中，HTV-2在2010年4月和2011年8月的兩次試驗均獲得了馬赫數為20的空氣動力學數據，官方宣布試驗獲得成功。

圖3 HTV-1

圖4 HTV-2

美國其他高動態飛行器計劃包括：美國宇航局的Hyper-X計劃是20世紀90年代中期美國宇航局提出“先進高超聲速吸氣式推進”計劃，其目的是研究并演示可用于高超聲速飛機和可重復使用天地往返系統的超燃沖壓發動機技術；美國空軍的HyTech計劃，其近期目標是將碳氫燃料雙模態超燃沖壓發動機應用于馬赫數4～8的高超聲速導彈，遠期目標是研制馬赫數8～10的高超聲速飛機；DARPA在2002年提出HyFly計劃，目標是發展馬赫數為6的高超聲速巡航導彈。

俄羅斯在高超聲速研究，特別是超燃沖壓發動機研究方面有著傳統的優勢。前蘇聯早在1957年就開始進行了超燃沖壓發動機研究。幾十年來,俄羅斯中央空氣流體動力研究院、中央航空發動機研究院、圖拉耶夫聯盟設計局、彩虹設計局、莫斯科航空學院等許多單位都開展了高超聲速技術研究。由巴拉諾夫中央航空發動機研究院等幾個單位共同進行超然沖壓發動機研制的“冷”計劃，1991年首次在飛行試驗中實現超燃工作模態。“鷹”計劃目標是研制一種有翼的高超聲速試驗飛行器，從飛行器的發射方式、飛行軌道、馬赫數及航程等方面，都顯示了很高的水平，被認為是俄羅斯高超聲速戰略巡航導彈的雛形。

臨近空間作為科技與軍事應用的新空間，無論低動態還是高動態飛行器關鍵技術都在被迅速突破，尤其是美國不斷推出新型飛行器飛行演示，軍事專家們普遍認為，開發和利用臨近空間必將成為作戰能力新的增長點。

3 臨近空間武器裝備的主要應用

3.1 用作偵查監視平臺

與臨近空間飛行器相比，航空平臺的分辨率較高，但其覆蓋范圍有限，不能長時間駐留，并且其生存能力較低；軌道平臺則更多地用于戰略層次的任務，分辨率和對特定地區的覆蓋率都不如臨近空間飛行器。航空平臺、臨近空間平臺和軌道平臺配合使用，可以實現平時和戰時任務區域的全方位、全時段的綜合偵察監視。作為偵察監視平臺，臨近空間飛行器不僅可用于戰場態勢感知，還可用于海洋監視、氣象監測、打擊效果評估、災情監測、空中預警等。

3.2 用作通信中繼平臺

臨近空間飛行器作為通信平臺可以廣泛應用于軍事和民用通信。與衛星通信相比，其優勢是高容量、高頻率利用、傳播損耗特性好(比同步軌道衰減少65 dB)、時延小、發射功率低，易于實現通信終端的小型化、移動化，建設周期短，管理、維護和升級容易，成本低。與地面無線通信相比，臨近空間通信平臺的覆蓋范圍大、發射功率低，建設周期短、易于升級，通信不受地形的限制，可以全天候連續工作。

3.3 用作電子對抗平臺

臨近空間飛行器由于生產和使用成本低、活動區域廣、沒有人員危險等特點，有著其他空域電子對抗設備無法比擬的優越性。特別是，臨近空間飛行器可以在目標上空長期駐留，進行不間斷的電子對抗。臨近空間飛行器可以干擾敵方地面和海上的警戒、搜索引導、目標指示雷達，減少敵雷達發現目標和預警的時間，為作戰飛機、導彈等提供長時間的電子支援干擾，從而提高這些作戰武器在作戰過程中的突防能力、作戰效能和生存概率。臨近空間飛行器還可以發射高強度的衛星導航干擾信號，從而降低了敵方的作戰效能；同時，臨近空間飛行器也可以發射增強的衛星導航信號。

3.4 用作空間武器平臺

低速的臨近空間飛行器具有諸多潛在的軍用價值：搭載一定的武器裝備后，可以長時間在戰區上空巡航，一旦需要，可以從空中迅速對敵地面戰略目標實施打擊，這種居高臨下的突然性攻擊可極大地壓縮預警反應時間，具有很強的戰略威懾作用。一旦威脅解除，還可以回收部署；高速臨近空間飛行器作為武器平臺時，具有機動速度快、覆蓋范圍大、高空作戰不受氣候條件限制等特點，可以使用常規彈藥、高能微波武器、高能激光武器等對敵方高價值目標進行快速、精確打擊。目前對作為攻擊武器平臺的臨近空間飛行器的研究主要考慮將其作為對地攻擊的平臺，但是由于它所處的位置比傳統的天空更接近太空，因此完全可以勝任作為反衛星等航天器的攻擊武器平臺，通過高能激光、反衛星導彈等裝備來干擾或打擊空間目標。

4 發展臨近空間武器裝備需解決的問題

4.1 高超聲速推進技術

要實現高超聲速巡航飛行，首先必須具有適合的推進系統。目前的研究重點是：動力裝置總體方案；先進控制和燃料供給系統；沖壓發動機燃料及材料熱沉利用；長時間工作技術驗證試驗等。

4.2 高超聲速制導導航技術

制導方式的分析和選取是高超聲速導彈研制的關鍵任務。不僅與制導精度、打擊多目標能力、抗干擾能力等因素相關，還將受到目標機動性、武器成本、技術水平可實現性等因素的影響。從近年國內外的發展情況來看，目前帶落角約束的導引方法，包括對比例導引律的改進、基于最優控制原理的導引方法、非線性導引律和變結構導引律等是高超聲速武器的研究熱點。但相關研究的重點多在導引方法的推導和研究，在導引律的過載特性、彈道特性以及位置和角度控制精度等重要的導引性能的研究方面還顯不足，存在導引律結構復雜、導引參數時變、導引信息種類和精度需求高等缺點，其工程應用相對困難。

4.3 高超聲速空氣動力學技術

當飛行器以高超聲速飛行時，氣動加熱非常嚴重。為此，必須掌握與高超聲速飛行器氣動布局及與推進系統一體化設計相關的高超聲速流動規律，解決在真實飛行環境下所出現的氣動力、氣動熱新課題。目前，各國正積極發展與高超聲速空氣動力與熱力學相關的基礎理論、建模計算及試驗驗證。

4.4 一體化設計技術

目前的研究重點是：氣動設計一體化，要考慮減小阻力、增加升力，還要考慮氣動加熱、熱防護；結構設計一體化，特別是熱結構及燃料供應與冷卻系統設計一體化；飛行器各子系統及各主要參數的動態與靜態一體化；發動機推力控制與飛行器飛行控制一體化等。

4.5 結構材料技術

臨近空間晝夜溫差極大，對材料及系統控制要求極高。超聲速飛行器要求盡可能地減輕結構質量，并克服氣動加熱問題。因此,長壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強度、低密度的結構材料對于研制高超聲速飛行器是非常關鍵的。主要涉及的結構材料技術是輕質、高強度、耐高溫材料和熱防護技術。

4.6 飛行控制技術

臨近空間飛行器控制問題研究的重點是：面對飛行器所具有的多變量、時變參數、強魯棒性、高度非線性、縱橫向交叉耦合、氣動彈性效應顯著等挑戰性難題，研究系統的動力學建模、控制律設計及穩定性分析方法，尤其是長時間巡航飛行，嚴酷力、熱載荷環境下的伺服機構的設計問題以及高機動狀態下的精確控制問題等。

4.7 法律制度問題

臨近空間具有重要的應用價值，但對其性質和法律地位尚缺乏權威的統一認識。關于臨近空間的法律性質存在著不同觀點，爭議焦點主要集中在兩個方面：一是臨近空間是否應作為一個獨立的法律概念存在；二是臨近空間與空氣空間、外層空間的關系。盡管臨近空間目前尚未取得獨立的法律地位，但是其應成為一個獨立的法律概念。臨近空間不宜發展成為與空氣空間、外層空間相并列的第三類獨立空間，而應是在當前空間二元劃分之下的一個細分層次，從屬于空氣空間。可以通過設立臨近空間的無害通過制度來調整臨近空間中飛行需要與國家安全之間的沖突，其它方面則應使用空氣空間法的規定。

5 結束語

臨近空間對于國防安全，有著不可替代的作用，憑借高度上的優勢，除了可以用于早期預警，戰時通信保障和攻擊平臺外，還可以作為空、天飛行器之間的協作中繼，彌補空天一體化的作戰縫隙。

本文中簡要介紹了世界各國尤其是美國臨近空間武器的研究進展，總結歸納了其發展的趨勢特點，對制定我國空間技術的發展策略具有一定的啟示。

在制定空間技術發展策略時，針對目前空間武器發展形勢,立足實情、統籌規劃、重點發展是關鍵。