臨近空間飛行器發(fā)展歷史研究

白楊 陳昊 楊亞雄

摘 ?要：臨近空間飛行器是一種全新的武器作戰(zhàn)平臺(tái)，擁有廣泛的運(yùn)用前景。本文主要介紹臨近空間及臨近空間飛行器的概念，概括了臨近空間飛行器的發(fā)展動(dòng)因、發(fā)展歷史和下一步的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：臨近空間;臨近空間飛行器;發(fā)展歷史;發(fā)展趨勢(shì)

臨近空間飛行器是在常規(guī)飛行器之外，自身所具備的一種全新作戰(zhàn)空間和作戰(zhàn)樣式的新型武器裝備，其廣袤的發(fā)展前景與發(fā)展?jié)摿ξo數(shù)的世界大國(guó)的發(fā)展目光，研究其發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢(shì)對(duì)我軍今后打贏復(fù)雜電磁環(huán)境下的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)具有重大意義。

一、發(fā)展的動(dòng)因及背景

臨近空間（near space）——始于現(xiàn)有常規(guī)航空器可駐留飛行的最高高度，止于低軌道航天器維持軌道飛行的最低高度，通常指距海平面20～100km的空域范圍。臨近空間區(qū)域包括大氣平流層（高度11 ～55km）的大部分區(qū)域，中間大氣層區(qū)域（高度55～85km）和少部分熱層區(qū)域（高度85～800km）。在此空間范圍內(nèi)，具備有不同于其他空間的顯著特點(diǎn)，比如說：空氣相對(duì)稀薄;大氣中雜質(zhì)少;環(huán)境溫度變化復(fù)雜;臭氧和太陽輻射強(qiáng)度大;在20～40km區(qū)域平均風(fēng)速最小。

臨近空間飛行器（near space vehicle 簡(jiǎn)稱：NSV）是指可在臨近空間作長(zhǎng)期持久飛行的大氣飛行器。這是一種全新的飛行器，相對(duì)于其他的衛(wèi)星和常規(guī)傳統(tǒng)飛機(jī)而言具備有以下優(yōu)勢(shì)：

與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，臨近空間飛行器的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）留空時(shí)間長(zhǎng)。可持續(xù)工作飛行近空間飛行器的留空時(shí)間可以達(dá)到幾天到幾十天，目前正在研制的近空間平臺(tái)預(yù)定留空時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，規(guī)劃中的后續(xù)平臺(tái)預(yù)定留空時(shí)間可達(dá)1年以上。易于長(zhǎng)期、不間斷地獲得情報(bào)和數(shù)據(jù)，及時(shí)地對(duì)緊急事件迅速做出響應(yīng)。

（2）覆蓋范圍廣。近空間飛行器的飛行高度比傳統(tǒng)飛機(jī)大，因此覆蓋范圍也比傳統(tǒng)飛機(jī)更寬廣。

（3）生存能力強(qiáng)。由于氣球或軟式飛艇以及一些低速無人機(jī)的主要部件采用非金屬材料制成，因此雷達(dá)反射截面很小，傳統(tǒng)的雷達(dá)難以c/跟蹤和發(fā)現(xiàn)。

（4）制造和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，。需要的保障人員少、后勤負(fù)擔(dān)輕。當(dāng)然，近空間飛行器也存在一些明顯的缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，氣球或軟式飛艇充灌氦氣的時(shí)間較長(zhǎng)，費(fèi)用高，體積龐大，機(jī)動(dòng)性差，存放時(shí)需要占用很大的機(jī)庫;在放飛、回收和通過平流層上升、下降過程中，容易受到風(fēng)和湍流的影響等不足。

與衛(wèi)星相比，臨近空間飛行器的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）由于臨近空間飛行器運(yùn)行高度低，一般只是低軌衛(wèi)星的十分之一到二十分之一的速度范圍，因此，容易實(shí)現(xiàn)高分辨率對(duì)地觀測(cè)，可有效彌補(bǔ)衛(wèi)星觀測(cè)局部盲點(diǎn)。

（2）對(duì)偵察、觀測(cè)設(shè)備要求低，采用一般的數(shù)字相機(jī)，就可能獲得與高精度衛(wèi)星質(zhì)量相當(dāng)?shù)恼掌?制造成本低，不需要復(fù)雜昂貴的發(fā)射設(shè)施，對(duì)地面支持設(shè)備要求也比較低，大部分部件和有效載荷可回收重復(fù)使用，因此效費(fèi)比高。

（3）發(fā)射過程較為簡(jiǎn)單，有效載荷技術(shù)難度小，易于更新和維護(hù)。其缺點(diǎn)是：視野小，觀察范圍有限，還要受到相關(guān)國(guó)家領(lǐng)空權(quán)的限制。

二、發(fā)展的歷程

由于臨近空間飛行器必須滿足在該空間范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行停留對(duì)相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)苛，因此，直到上個(gè)世紀(jì)后期才使得臨近空間飛行器的出現(xiàn)成為可能。在此，我們以美國(guó)臨近空間飛行器發(fā)展為例介紹其發(fā)展的大致經(jīng)過：

① 20世紀(jì)60年代以后，由于技術(shù)和安全等方面的原因，飛艇曾一度停止了發(fā)展。90年代以后，開始發(fā)展“哨兵”系列預(yù)警飛艇。1996年，美陸軍開始執(zhí)行“浮空器先進(jìn)技術(shù)演示計(jì)劃”。1999年10月，研制STI反恐飛艇，該飛行器總長(zhǎng)61m，自身容積達(dá)到7200m?。2003年初，美空軍施里弗基地和空間作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室開始實(shí)行“近空間機(jī)動(dòng)飛艇計(jì)劃”，第一個(gè)試驗(yàn)型飛艇稱為“攀登者”，并對(duì)其裝載的通信裝備和監(jiān)視器材進(jìn)行測(cè)試。

②2004年，美軍公布的“軍事行動(dòng)快速響應(yīng)空間”（operationally responsive space，簡(jiǎn)稱ORS）和 “聯(lián)合作戰(zhàn)空間”（joint war fighting space，簡(jiǎn)稱JWS）線路圖中包括了近空間發(fā)展計(jì)劃內(nèi)容，開始正式將臨近空間飛行器作為一項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)武器裝備項(xiàng)目。

③2005年5月，美國(guó) Sanswire Networks 公司開發(fā)的一種稱為“平流層衛(wèi)星”的近空間飛艇，按計(jì)劃完成了原型機(jī)的演示驗(yàn)證，該飛艇可作為維護(hù)國(guó)家安全或者完成其他軍事目的。2005 年 11 月在美軍資助下，該公司研制的高空哨兵飛艇成功進(jìn)入臨近空間，滯空時(shí)間達(dá)5小時(shí)，成為繼“攀登者”飛艇之后成功進(jìn)入臨近空間的第二艘飛行器。

④美國(guó)波音公司和諾斯羅普·格魯曼公司正在研發(fā)X-45和X-47B無人作戰(zhàn)飛機(jī)，其中X-45已在2005年8月進(jìn)行了首飛并取得成功，而且該平臺(tái)將發(fā)展后繼型X-45C，該機(jī)長(zhǎng)約12m，翼展15m，巡航時(shí)速0.8馬赫，飛行高度超過12000m，自身可以攜帶2100 kg武器。

⑤截至當(dāng)前，美國(guó)空軍正在試驗(yàn)一架命名為X-37B的軌道試驗(yàn)飛行器，該機(jī)于2010年4月22日在佛羅里達(dá)州試飛升空，總共的研發(fā)時(shí)間超過10年，其功能和任務(wù)均列為最高機(jī)密。截止到2019年8月，該飛行器在軌飛行時(shí)間達(dá)到了719天，創(chuàng)造出新的世界紀(jì)錄。目前有關(guān)此飛行器的相關(guān)目的與幾乎均高度保密，但這無疑是飛行器發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。

三、發(fā)展趨勢(shì)

臨近空間飛行器是應(yīng)對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)、突破導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、能對(duì)敵方構(gòu)成現(xiàn)實(shí)威懾力量的重要武器系統(tǒng)，也是發(fā)展未來跨大氣層飛行和天地往返的重要方式，實(shí)現(xiàn)超高音速遠(yuǎn)程交通，做到 “全球即時(shí)到達(dá)”的可能途徑，具有極其重要的軍事和民用價(jià)值。目前針對(duì)臨近空間飛行器的研究發(fā)展進(jìn)程呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

1）隱身化外形設(shè)計(jì)

雖然臨近空間飛行器處在高高空，但仍有可能被地面探測(cè)設(shè)備或偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，因此外形材質(zhì)的隱身化是對(duì)臨近空間飛行器的基本要求。采用隱身技術(shù)，不僅可以縮短敵方探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離，提高臨近空間飛行器的生存能力，而且能提高臨近空間飛行器的突防能力，達(dá)成作戰(zhàn)的突然性。因此，開發(fā)多頻譜和智能型的隱身材料，提高臨近空間飛行器的隱身性能是今后技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵。

2）持久化航程能力

與其他飛行器相比，臨近空間飛行器的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)就在于其執(zhí)行任務(wù)的連續(xù)性和持久性。為了保證臨近空間飛行器能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)飛行，需要提高其推進(jìn)系統(tǒng)的性能。目前，比較有前途的技術(shù)是將光電電池覆蓋在臨近空間飛行器的上表面，作為電力發(fā)動(dòng)機(jī)和有效載荷的動(dòng)力，并為夜間飛行蓄存電力。這種技術(shù)具有將臨近空間飛行器駐空時(shí)間提高到數(shù)周乃至數(shù)月的潛力。

3）多樣化功能模塊

臨近空間飛行器的任務(wù)設(shè)備主要有偵察載荷、通信載荷、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航載荷等。隨著任務(wù)載荷技術(shù)的不斷發(fā)展及滿足系統(tǒng)任務(wù)擴(kuò)展的需求，集成化、綜合化的任務(wù)載荷已經(jīng)成為臨近空間飛行 器的發(fā)展方向。以美國(guó)為例，“全球鷹”無人機(jī)同時(shí)具有合成孔徑雷達(dá)（SAR）和光電/紅外（EO/IR）組件，而“最高飛行者”平流層氣球可選擇的有效載荷包括圖像、通信和情報(bào)收集等不同應(yīng)用目的的傳感器組件。

四、自主化控制方式

隨著信息和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，臨近空間飛行器的定點(diǎn)保持、壓力控制和航向控制等都將朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展。臨近空間裝備在長(zhǎng)期定點(diǎn)過程中，由于風(fēng)力和風(fēng)速的變化，如何長(zhǎng)時(shí)定點(diǎn)懸停并保持較高精度的自主控制，是一項(xiàng)亟待解決的課題若自主控制的問題得以解決，臨近空間飛行器在軍事上的廣泛應(yīng)用將指日可待。