平流層飛艇艇載式風(fēng)場測量技術(shù)探究

臨近空間是“空”與“天”的結(jié)合部，是連接“空”與“天”的紐帶，具有天基平臺和空中平臺無可比擬的優(yōu)勢，已成為一個空天一體的軍事競爭戰(zhàn)略空間。其中，平流層飛艇作為臨近空間中具有代表性的低動態(tài)飛行器，逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點。然而平流層低溫、低氣壓的環(huán)境以及飛艇飛行速度低等特點，使得常規(guī)的風(fēng)速、風(fēng)向測量裝置均不適用于平流層飛艇艇載實時風(fēng)速測量，飛艇無法自主感知風(fēng)場的特點和變化，大大增加了平流層飛艇飛行的難度。因此，研制精密的風(fēng)場測量裝置對于平流層飛艇的研制至關(guān)重要。

臨近空間飛行器及平流層飛艇

臨近空間主要指距地面20～100km的特定空域，大約處于現(xiàn)有飛機的最高飛行高度和衛(wèi)星的最低軌道高度之間。這一高度的環(huán)境極為特殊，傳統(tǒng)飛機遵循的空氣動力學(xué)和衛(wèi)星遵循的軌道動力學(xué)均難以適用，而正是由于其空間環(huán)境獨特，使得近太空飛行器與傳統(tǒng)飛機及衛(wèi)星相比具有得天獨厚的發(fā)展優(yōu)勢。短短數(shù)年時間，臨近空間飛行器發(fā)展出多種結(jié)構(gòu)和型式。各國目前在研的臨近空間飛行器，按照飛行速度大致可分為低動態(tài)飛行器（Ma<1）和高動態(tài)飛行器（Ma>1）兩大類型：

（1） 低動態(tài)臨近空間飛行器主要包括平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。它們具有滯空時間長、載荷能力大、飛行高度高、生存能力強等特點，能夠攜帶可見光、紅外、多光譜和超光譜、雷達等信息獲取載荷；可作為區(qū)域信息獲取手段，用于提升戰(zhàn)場信息感知能力，支援作戰(zhàn)行動；又可攜帶各種電子對抗載荷，實現(xiàn)戰(zhàn)場電磁壓制和電磁打擊，破壞敵方信息系統(tǒng)；還可攜帶通信及其他能源中繼載荷，用于野戰(zhàn)應(yīng)急通信、通信中繼及能源中繼服務(wù)。

（2） 高動態(tài)臨近空間飛行器主要包括高超聲速巡航飛行器、亞軌道飛行器等。它們具有飛行速度快、飛行距離遠、機動能力高、生存能力強、可適載荷種類多等特點，具有遠程快速到達、高速精確打擊、可重復(fù)使用、遠程快速投送等優(yōu)點；既可攜載核彈頭，替代彈道導(dǎo)彈實施戰(zhàn)略威懾，又可選擇攜載遠程精確彈藥，作為“殺手锏”手段，攻擊高價值或敏感目標，還可攜帶信息傳感器，作為戰(zhàn)略快速偵察手段，對全球重要目標實施快速偵察。

臨近空間作為科技與軍事應(yīng)用的新空間，無論低動態(tài)還是高動態(tài)飛行器的關(guān)鍵技術(shù)都在被迅速突破，尤其是美國不斷推出新型飛行器開展飛行試驗。軍事專家們普遍認為，開發(fā)和利用臨近空間必將成為作戰(zhàn)能力新的增長點，特別是臨近空間飛行器加入陸、海、空、天信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后，必將對各國安全提出新的挑戰(zhàn)。

目前，世界各國提出了多種臨近空間飛行器發(fā)展方案，研究的熱點集中在平流層飛艇、浮空氣球和高空長航時無人機上。其中，平流層飛艇是地球同步衛(wèi)星之外另一種重要的定點平臺。與衛(wèi)星相比，平流層飛艇的優(yōu)點包括效費比高、機動性好、有效載荷技術(shù)難度小、易于更新和維護。此種飛行器距目標的距離一般只是低軌衛(wèi)星的1/10～1/20，可收到衛(wèi)星不能監(jiān)聽到的低功率傳輸信號，容易實現(xiàn)高分辨率對地觀測。

與傳統(tǒng)飛機相比，平流層飛艇的優(yōu)點是：

（1） 持續(xù)工作時間長，傳統(tǒng)飛機的留空時間以小時為單位，平流層飛艇的留空時間則以天為單位，目前正在研制的臨近空間平臺預(yù)定留空時間長達6個月，規(guī)劃中的后續(xù)平臺預(yù)定留空時間可達1年以上，便于長期、不間斷地獲得情報和數(shù)據(jù)，可對緊急事件迅速做出響應(yīng)，而且人員保障少、后勤負擔(dān)輕。

（2） 覆蓋范圍廣，平流層飛艇的飛行高度在傳統(tǒng)飛機之上，其偵察覆蓋范圍比傳統(tǒng)飛機要廣得多。

（3） 生存能力強，平流層飛艇的囊體采用非金屬材料而且低速運行，雷達和熱反射截面很小，傳統(tǒng)的跟蹤和瞄準辦法不易發(fā)現(xiàn)。

艇載風(fēng)速測量系統(tǒng)的需求

平流層飛艇具有自主循環(huán)能源和長時區(qū)域駐留的特點，可控飛行是平流層飛艇需要解決的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。平流層飛艇尺寸和慣量大，通過實時感知駐留高度的風(fēng)場數(shù)據(jù)，才能較好地實現(xiàn)平流層飛艇的自主飛行控制和實時軌跡優(yōu)化，增強對飛艇軌跡的主動控制和抗干擾能力，有利于高效率完成對敏感區(qū)域的實時監(jiān)測等載荷任務(wù)。

目前平流層飛艇飛行試驗中，所使用的風(fēng)場數(shù)據(jù)主要包括：

（1） 利用全球氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行試驗場區(qū)域的平流層風(fēng)場態(tài)勢分析與預(yù)報數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)預(yù)報的區(qū)域大，具有統(tǒng)計特點，為預(yù)報數(shù)據(jù)；

（2）高空氣球探測的風(fēng)場數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是探測地點上探測時間點的高度剖面的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，對飛艇不具有持續(xù)性和實時性；

（3） 遙感技術(shù)（地基激光雷達等）探測的風(fēng)場數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是整個高度剖面的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，探測的風(fēng)場數(shù)據(jù)精度和高度分辨率還有待提高，且不是飛艇飛行駐留高度的實時風(fēng)場數(shù)據(jù)。

通過這些技術(shù)探測的風(fēng)場數(shù)據(jù)，對大區(qū)域的風(fēng)場預(yù)報和飛艇放飛窗口決策等具有重要參考價值。

平流層準零風(fēng)層的高度是相對的，風(fēng)場以東西風(fēng)為主，但南北風(fēng)量大小和方向隨時間有變化。若利用這些非實時風(fēng)場數(shù)據(jù)進行平流層飛艇的飛行控制和軌跡優(yōu)化并制定飛行控制策略時，只能人為地不斷調(diào)整矢量動力推進系統(tǒng)實行“盲控”，通過飛艇的實時飛行軌跡和姿態(tài)情況，來驗證判斷駐留高度的風(fēng)場實時情況。這種情況下，飛行控制效率較低，不準確非實時風(fēng)場數(shù)據(jù)將加劇艇載有限能源系統(tǒng)的消耗，且使能源分配不均，增加飛行控制難度，不能快速到達任務(wù)區(qū)域，將極大影響有效載荷的使用效率。

平流層飛艇駐留高度空氣密度低，其飛行速度一般為20m/s左右，其對應(yīng)產(chǎn)生的動壓較小，其中5m/s對應(yīng)的動壓為1.11Pa，20m/s對應(yīng)的動壓為17.6Pa；另外，平流層飛艇表面溫度變化范圍較大（-70～70℃），且平流層飛艇對艇載設(shè)備的重量和功耗約束要求高，必須追求輕量化和低功耗，這些使用環(huán)境和約束條件對研制艇載實時測風(fēng)系統(tǒng)提出了很高的要求。

常用風(fēng)速測量方法對比

現(xiàn)有測速儀主要運用在大氣風(fēng)場、氣象探測、環(huán)境監(jiān)測、飛機空速測量及風(fēng)洞風(fēng)速測量等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)機載測速儀為空速管，但對于平流層低空氣密度低動態(tài)的飛行環(huán)境，其動壓引起的壓強變化往往不能夠精確測得。熱線式和熱膜式風(fēng)速儀主要通過檢測暴露在流體中的熱敏感元件的溫度耗散和熱能傳遞速率來推算風(fēng)速。

熱線熱膜風(fēng)速儀穩(wěn)定可靠、信噪比高且測量精度高、重復(fù)性好，但受到單端輸入信號飽和的限制，風(fēng)速測量的量程不高，而且溫度測量需要一定的響應(yīng)時間。

微壓傳感器近年來發(fā)展迅速，如硅壓阻固態(tài)測風(fēng)傳感器、光纖光柵壓力傳感器、MEMS微壓傳感器等。雖然它們測量精度很高，可達10Pa級，且具有重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點，但半導(dǎo)體材料存在溫漂問題，連續(xù)工作時需要校正。而且對于平流層海拔20km，空氣密度為0.08891kg/m3，由動壓計算公式得10m/s風(fēng)速引起的壓差為4.4Pa，無法達到測速精度要求。

超聲波測速儀基于相對運動的多普勒效應(yīng)，通過測量超聲波某方向的傳播時間，可以得到順風(fēng)或者逆風(fēng)的傳播速度。但由于聲的發(fā)送和接收器件在大氣中對風(fēng)有阻擋作用，尤其是風(fēng)與聲波發(fā)送和接收處于同一方向時，易造成較大的誤差，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易在浮空平臺實現(xiàn)。

另外，新型戰(zhàn)機如F-35和J-20使用嵌入式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的風(fēng)速管，但對于高空低速飛行器，其壓強傳感器量程和精度尚不能滿足要求。

激光雷達具有分辨率高、響應(yīng)快等優(yōu)點，將激光雷達應(yīng)用于機載和星載平臺上進行遙感探測，精度高且覆蓋范圍廣。激光雷達測風(fēng)技術(shù)分為直接探測和相干探測，后者只能通過大氣氣溶膠顆粒散射信號進行探測，而對于高層大氣如距地高度20km的平流層風(fēng)場而言，氣溶膠含量極低，只能通過直接探測的方式。直接探測技術(shù)可通過氣體分子的瑞利散射信號進行大氣環(huán)境探測，利用直接探測激光雷達可對高層大氣和全球風(fēng)場進行遙感探測。

對于小型化機載測速系統(tǒng)，目前國外進行了機載湍流探測、低空云層監(jiān)測等項目研究。密歇根航宇公司的分子光學(xué)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（MOADS）則可代替?zhèn)鹘y(tǒng)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)測量飛行器的空速、壓力、溫度以及飛行姿態(tài)等飛行控制參數(shù)。

國內(nèi)對于高空風(fēng)場的探測主要通過地基甚高頻雷達或激光雷達探測，但對于針對適用于平流層條件下能同時探測風(fēng)速和風(fēng)向的艇載測量技術(shù)，目前沒有相關(guān)研究資料可供參考。

目前，利用激光雷達系統(tǒng)實現(xiàn)艇載測風(fēng)存在一些難點，首先該測風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、功耗大；另外為了能夠測量飛艇駐空高度的風(fēng)場，出射激光方向和角度需要滿足水平安裝，與飛艇艇體保持一定距離避免受到艇身干擾，對安裝和固定位置提出了較高要求。常用的風(fēng)場測量方法見表1。

艇載風(fēng)速測量系統(tǒng)面臨的問題

由于平流層飛艇飛行速度低，與駐留高度的風(fēng)速為同一量級，風(fēng)速對應(yīng)的動壓小，傳統(tǒng)的艇載測速設(shè)備對于平流層低空氣密度低動態(tài)的飛行環(huán)境，往往不能精確測量得到動壓引起的壓強變化，因此需要研制平流層飛艇艇載實時精確測量駐留高度風(fēng)場的裝置?，F(xiàn)有的平流層風(fēng)場探測方法，包括地基激光雷達、高空探空氣球等，得到的實時數(shù)據(jù)測量精度不高或者數(shù)據(jù)實時性較差，提供的均不是平流層飛艇駐留高度的實時風(fēng)場精確數(shù)據(jù)。

艇載實時測量技術(shù)利用飛艇自身搭載的測風(fēng)系統(tǒng)，通過測量飛艇運動與駐留高度風(fēng)場的相對速度，結(jié)合飛艇GPS/北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r得到駐留高度的風(fēng)向和風(fēng)速，其特點是響應(yīng)快、精度高、實時性強，得到的風(fēng)場數(shù)據(jù)可以用于平流層飛艇的實時飛行控制。但其設(shè)計仍有較多問題需要解決，總結(jié)起來主要有以下幾點：

（1） 實時測量和高靈敏度的要求；

（2） 輕量化和低功耗的要求；

（3） 飛艇外形耦合影響分析；

（4） 平流層低溫低氣壓環(huán)境的影響。

結(jié)束語

作為現(xiàn)階段臨近空間飛行器的研究熱點，平流層飛艇研制是一項龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)研發(fā)及工程應(yīng)用中遇到的諸多關(guān)鍵問題與技術(shù)難點，需要用全新的理念和創(chuàng)新的方案來解決。平流層飛艇要求其具有良好的長時駐空性能。由于大氣密度較低，飛艇安定面無法發(fā)揮效能，因此平流層飛艇前飛時處于氣動不穩(wěn)定狀態(tài)，更依賴于主動飛行控制迎風(fēng)飛行。

現(xiàn)階段，由于平流層低溫低氣壓的環(huán)境約束以及平流層飛艇對艇載設(shè)備的輕量化和低功耗的要求，使得艇載實時測風(fēng)系統(tǒng)的研制尚存在一些問題。通過參考現(xiàn)有地基、航空機載以及航天星載大氣測量系統(tǒng)的對比分析，為平流層飛艇艇載風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)的研制提供參考。

（責(zé)任編輯：朱赫）