美國系留氣球載監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展分析

汪岸柳，毛偉文

(中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所 浮空平臺(tái)部，安徽 合肥 230088)

引言

系留氣球依靠氣囊內(nèi)部充入比重比空氣輕的氣體(LTA氣體)，如氦氣、氫氣等，產(chǎn)生浮力克服自重與設(shè)備重量，并通過纜繩系縛于地面錨泊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)升降、既定高度留空等操作。系留氣球像飛機(jī)和衛(wèi)星等空中平臺(tái)一樣，可以搭載各種通訊、監(jiān)測(cè)等傳感器設(shè)備。并且，相對(duì)于飛機(jī)和衛(wèi)星，其具有研制周期短、成本低、不需動(dòng)力、留空時(shí)間長、安全性好、使用方便、維護(hù)成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，在軍事上的應(yīng)用越來越廣泛。

美國是世界上使用系留氣球載監(jiān)視系統(tǒng)最多的國家，自其上世紀(jì)70年代的“搜索天鉤”(Seek Skyhook)計(jì)劃開始，到2014年1月底“聯(lián)合對(duì)地攻擊巡航導(dǎo)彈防御空中網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)”(JLENS)正式部署馬里蘭州截止，美國在國土以及海外戰(zhàn)場(chǎng)部署了多達(dá)十幾種類型、數(shù)百套系留氣球載監(jiān)視系統(tǒng)，以保護(hù)其國土安全和國防安全。

我國早在上世紀(jì)八、九十年代亦開始關(guān)注系留氣球載監(jiān)視系統(tǒng)，多家院校和研究所都進(jìn)行了相關(guān)研究，到目前為止，已取得了不小的成果[1]。不過，由于起步晚，基礎(chǔ)技術(shù)稍顯落后，在技術(shù)方面和應(yīng)用方面，與美國相比，還存在一定差距。

本文將以美國已部署或正在研發(fā)的系留氣球載監(jiān)視系統(tǒng)為研究對(duì)象，整理球載監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)以及美國球載監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)，從而分析其發(fā)展趨勢(shì)，為我國從事相關(guān)的技術(shù)研究提供一定的參考。

1 系留氣球監(jiān)視系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

由于系留氣球監(jiān)視系統(tǒng)利用系留氣球平臺(tái)的浮力升空，可使用系留纜繩來將地面上的電能傳給球上的監(jiān)視設(shè)備以保證其正常工作，主要具有以下特點(diǎn)：

1.1 覆蓋范圍廣

球載監(jiān)視系統(tǒng)可升空至四、五千米的高空，相比地面監(jiān)視系統(tǒng)，受地球曲率影響小，覆蓋范圍廣。當(dāng)氣球升空高度達(dá)到3000米時(shí)，對(duì)飛行高度50米的目標(biāo)，其監(jiān)視距離可達(dá)到255千米，是地面雷達(dá)的5.7倍，監(jiān)視面積達(dá)到2.8萬平方公里，是地面雷達(dá)的32.5倍。

1.2 可克服地形遮蔽

由于其工作高度超過一般的地面建筑和高山等地形，可以很好的克服地形障礙的遮蔽，減少監(jiān)視區(qū)域的空白，當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)具有足夠的功率和靈敏度時(shí)，其對(duì)低空目標(biāo)的監(jiān)視距離就由雷達(dá)的視距決定。因此在監(jiān)視遠(yuǎn)距離低空、超低空目標(biāo)(諸如飛機(jī)、遙控?zé)o人機(jī)、巡航導(dǎo)彈等)方面，升空的雷達(dá)系統(tǒng)具有其獨(dú)特作用。

圖1 球載監(jiān)視系統(tǒng)的工作示意

1.3 續(xù)航能力強(qiáng)

系留氣球監(jiān)視系統(tǒng)能源消耗主要來自球上電子設(shè)備和任務(wù)載荷的供電，相比其它飛行器，這些能源可以由纜繩從地面供給，無需球上攜帶，大大延長了空中工作時(shí)間，幾種航空器續(xù)航時(shí)間如圖2所示。

圖2 系留氣球與固定翼飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間對(duì)比

1.4 效費(fèi)比高

對(duì)于固定翼飛機(jī)或旋翼飛機(jī)等飛行器，在飛行過程中需要速度獲取動(dòng)升力，在飛行的過程中需要消耗大量的燃油，其續(xù)航能力受到攜帶燃油量的制約，一般續(xù)航時(shí)間均是以小時(shí)計(jì)算。以預(yù)警機(jī)為例，常規(guī)固定翼預(yù)警機(jī)的續(xù)航約6-8小時(shí)不等[2]。對(duì)于系留氣球，其能源的消耗主要為自身的電子設(shè)備和任務(wù)載荷的供電，而這些電能可以由纜繩從地面供給，因此系留氣球的續(xù)航時(shí)間可以以天計(jì)算。一般來說，大型陣地式系留氣球的留空時(shí)間可在25天左右，小型機(jī)動(dòng)式系留氣球的留空時(shí)間也能達(dá)到一周以上。

1.5 生存能力強(qiáng)

由于系留氣球填充壓力均較小，在受到炮火攻擊時(shí)，升力氣體的泄漏速度很小，受到攻擊后能夠有充裕的時(shí)間進(jìn)行相關(guān)操作或返回基地進(jìn)行修復(fù)。另外，系留氣球的囊體為高透波性材料粘合而成的軟體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無金屬骨架，雷達(dá)反射面較小，幾乎沒有雷達(dá)回波和紅外特征信號(hào)，很難被探測(cè)到。

2 氣球平臺(tái)主要研制廠商及相應(yīng)平臺(tái)產(chǎn)品

限于技術(shù)水平、工業(yè)基礎(chǔ)和綜合國力，真正具有自主研制、批量生產(chǎn)氣球預(yù)警、監(jiān)視系統(tǒng)能力的國家目前主要為美國。美、英、法、意、印、以色列、科威特、沙特等二十多個(gè)國家和地區(qū)實(shí)際服役使用的氣球載裝備均為美國生產(chǎn)。

有能力研制系留氣球平臺(tái)的大型公司主要為洛克希德·馬丁(洛馬)公司[3]、TCOM公司[4]、Raven Aerostar公司以及其它中小型研制商，詳細(xì)如表1所示。

表1 平臺(tái)研制產(chǎn)商及平臺(tái)產(chǎn)品

上表中，洛馬公司與Raven Aerostar公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的系留氣球產(chǎn)品命名中的數(shù)字表示系留氣球的氣囊容積大小，單位為立方英尺。TCOM公司系留氣球產(chǎn)品的命名則主要以氣球的長度為標(biāo)準(zhǔn)。

其它一些中小型研制廠商，有世界航空公司(Aeros)、世界監(jiān)視集團(tuán)股份有限公司(WSGI)、信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室公司(ISL)等。這些公司近幾年均開始涉足系留氣球監(jiān)視系統(tǒng)領(lǐng)域，并取得了不小的成績。

3 美國主要球載監(jiān)視系統(tǒng)

3.1 美國主要球載監(jiān)視系統(tǒng)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)

依托不同類型的系留氣球平臺(tái)，美國軍火承包商，如洛馬公司，諾思羅普·格魯曼公司(諾格公司)，雷神公司等，研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)了多種類型的系留氣球預(yù)警、監(jiān)視系統(tǒng)。通過對(duì)美國近四十多年來的球載監(jiān)視系統(tǒng)梳理[4]，目前主要有以下類型的球載監(jiān)視系統(tǒng)，如表2所示。

表2 美國主要球載監(jiān)視系統(tǒng)情況 單位：萬美元

由上表可知，40多年來，美國部署了數(shù)百套系留氣球載監(jiān)視系統(tǒng)。其中，2000年以來，尤其是美國在阿富汗、伊拉克的戰(zhàn)爭(zhēng)，更是推動(dòng)了球載監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用，以RAID、PGSS、PTDS三種系統(tǒng)為例，其部署數(shù)量之和超過百套，若考慮其備份、損壞后再修復(fù)以及損毀后再重新生產(chǎn)的系統(tǒng)，其使用數(shù)量遠(yuǎn)大于上述統(tǒng)計(jì)數(shù)。

3.2 美國球載監(jiān)視系統(tǒng)使用特點(diǎn)分析

根據(jù)上一節(jié)的統(tǒng)計(jì)信息，可以看出美國球載監(jiān)視系統(tǒng)使用有如下特點(diǎn)：

3.2.1 戰(zhàn)略級(jí)球載監(jiān)視系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展

JLENS始于1996年，由美國陸軍空間和導(dǎo)彈防御司令部主導(dǎo)，發(fā)展系留氣球載雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)，以保護(hù)美國國土安全。2014年1月，JLENS系統(tǒng)終于部署馬里蘭州，以保衛(wèi)美國首都華盛頓特區(qū)及其東部海岸。作為當(dāng)今最先進(jìn)的戰(zhàn)略級(jí)球載預(yù)警系統(tǒng)，JLENS十年磨一劍，歷盡多方挫折，終于修成正果。

3.2.2 戰(zhàn)術(shù)級(jí)球載監(jiān)視系統(tǒng)大量發(fā)展

美國早期主要是利用420K、TCOM71M等大型氣球平臺(tái)，發(fā)展TARS等戰(zhàn)略級(jí)或工作級(jí)球載系統(tǒng)。到21世紀(jì)，受到美國在阿富汗、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的迫切需求，以TCOM17M、28M、74K、TIF-25K等中小型系留氣球?yàn)槠脚_(tái)，發(fā)展了諸如RAID、PGSS、PTDS等戰(zhàn)術(shù)級(jí)球載監(jiān)視系統(tǒng)，而且數(shù)量龐大。

3.2.3 平臺(tái)與任務(wù)載荷兼容性很關(guān)鍵

通過美國的實(shí)際使用，球載監(jiān)視系統(tǒng)平臺(tái)與任務(wù)載荷的兼容性很重要，平臺(tái)與載荷兼容性包括兩方面：

一方面，平臺(tái)大小與任務(wù)載荷的匹配性很關(guān)鍵。以RAID為例，作為TCOM公司2001年就開始部署到阿富汗的球載監(jiān)視系統(tǒng)，其初期采用TCOM15M氣球平臺(tái)，根本無法滿足任務(wù)載荷的需求，之后不得不采用更大的TCOM17M氣球平臺(tái)，直接結(jié)果就是其后期幾乎完全被PTDS、PGSS等系統(tǒng)擠出球載監(jiān)視領(lǐng)域，只能向地面塔基監(jiān)視發(fā)展。

另一方面，平臺(tái)與任務(wù)載荷功能匹配性也非常重要。以TARS為例，早期，TARS只是空軍單獨(dú)發(fā)展的球載監(jiān)視系統(tǒng)，上世紀(jì)90年代初，美國國會(huì)要求美國國防部，對(duì)西南邊境的共三家單位負(fù)責(zé)的系留氣球監(jiān)視系統(tǒng)，計(jì)11個(gè)系留氣球雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行整合統(tǒng)一管理，合并成TARS系統(tǒng)。目前，TARS的所有站點(diǎn)的氣球平臺(tái)和雷達(dá)任務(wù)載荷均是由洛馬公司一家生產(chǎn)。

4 美國球載監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著阿富汗、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)束，尤其是2013年美國財(cái)政危機(jī)后，美國的軍事策略發(fā)生了相應(yīng)變化，美國球載監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)展也發(fā)生了改變，其發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

4.1 單平臺(tái)多任務(wù)載荷化發(fā)展

隨著技術(shù)的發(fā)展，新型囊體材料以及任務(wù)載荷的小型化和集成化后，球載監(jiān)視系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單平臺(tái)多任務(wù)載荷。以PTDS為例，可同時(shí)搭載Wescam Mx-20 EO/IR相機(jī)，聲敏傳感器，通信中繼,以及AN/ZPY-1星光雷達(dá)等，涉及到光學(xué)、聲波、電波、磁場(chǎng)等不同類型任務(wù)。未來，這種搭配形式將越來越多。

4.2 球載監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

球載監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化包括兩方面：一個(gè)是多個(gè)球載監(jiān)視系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化組成，另外一個(gè)是球載監(jiān)視系統(tǒng)與其他非球載監(jiān)視系統(tǒng)如無人機(jī)、飛艇等進(jìn)行空中組網(wǎng)。

典型的多個(gè)球載監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化組成代表是JLENS，作為目前最先進(jìn)的球載監(jiān)視系統(tǒng)，每套JLENS包括兩個(gè)氣球平臺(tái)，分別搭載兩個(gè)功能不同的監(jiān)視雷達(dá)(SUR)和精確跟蹤探測(cè)雷達(dá)(PTIR)，前者提供一個(gè)單一、集成、網(wǎng)絡(luò)空中圖片(SINP)，并將信號(hào)指令傳給PTIR，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)鎖定。PTIR可以支持一系列武器，包括愛國者PAC-3，SM-2，SAMs，AMRAAM以及中程擴(kuò)展防空系統(tǒng)(MEADS)等。

球載監(jiān)視系統(tǒng)與其他非球載監(jiān)視系統(tǒng)組網(wǎng)，如REAP、以及測(cè)試中的HSV-2。2012年4月下旬，美國海軍采用REAP成功進(jìn)行了無人系統(tǒng)延伸通信中繼試驗(yàn)。

4.3 球載監(jiān)視系統(tǒng)從國防安全向國土安全轉(zhuǎn)變

阿富汗、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)束，美國從戰(zhàn)地撤軍后，戰(zhàn)時(shí)用于保護(hù)軍隊(duì)的球載監(jiān)視系統(tǒng)并沒有因?yàn)槌奋姸徊鸪?。除一部分繼續(xù)在海外進(jìn)行反恐與軍隊(duì)保護(hù)外，另一部分正在逐步轉(zhuǎn)換職能，從國防安全向國土安全轉(zhuǎn)變[4]。

2013年，TARS由美國空軍轉(zhuǎn)為美國海關(guān)和邊境保護(hù)局(CBP)負(fù)責(zé)運(yùn)行，凸顯其國土安全使命。

4.4 戰(zhàn)略級(jí)球載監(jiān)視系統(tǒng)地位不可替代

不論是JLENS系統(tǒng)耗費(fèi)多大，還是2013年財(cái)政危機(jī)多么嚴(yán)重，戰(zhàn)略級(jí)球載監(jiān)視系統(tǒng)JLENS依然會(huì)持續(xù)發(fā)展，2014年1月底，一套JLENS系統(tǒng)部署在美國馬里蘭州，進(jìn)行為期三年試用。

另外，作為處于生命周期末期的TARS，即使早被列為裁撤計(jì)劃之中，但由于無法找到可替代的系統(tǒng)而不得不延長服役?？梢灶A(yù)測(cè)，在未來一段時(shí)間內(nèi)，戰(zhàn)略級(jí)球載監(jiān)視系統(tǒng)不可能被替代。

5 結(jié)語

四十年來，美國成為世界上系留氣球載監(jiān)視系統(tǒng)最主要的使用國，多達(dá)十幾型的系留氣球系統(tǒng)部署在美國本土和海外。

阿富汗、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)已證明系留氣球監(jiān)視系統(tǒng)是一項(xiàng)“偉大的裝備”。他們被當(dāng)?shù)刂笓]官稱為“游戲改變者”。JLENS系統(tǒng)正式部署馬里蘭州，它將成為美國首都華盛頓特區(qū)的保護(hù)神。

可以預(yù)測(cè)，隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，系留氣球監(jiān)視系統(tǒng)將成為美國國土安全和國防安全不可或缺的保護(hù)傘。

[1] 高山.氣球載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010，8(6)：487-491.

[2] Christopher Bolkcom. Potential military use of airships and aerostats[R]. CRS Report for Congress. Washington.D.C: United States Capitol.2006.

[3] United States Government Accountability Office. Future Aerostat and Airship Investment Decisions Drive Oversight and Coordination Needs[R].Washington: GAO.2012.

[4] The Office of the Assistant Secretary of Defense for Research and Engineering, Rapid Reaction Technology Office. Lighter than air vehicles[R]. Virginia: DOD.2013.