物美價(jià)廉的臨近空間長(zhǎng)航時(shí)平臺(tái)

文/ 蘭順正

編者按：2017年10月25日凌晨3時(shí)57分，深圳光啟集團(tuán)自主研制的臨近空間飛行器“旅行者3”號(hào)（?？谔?hào)），在新疆?dāng)y帶活體烏龜成功進(jìn)入海拔21公里的臨近空間，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)任務(wù)和進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，并于當(dāng)日8時(shí)28分降落在預(yù)定區(qū)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(dòng)物進(jìn)入臨近空間停留，標(biāo)志著我國(guó)臨近空間飛行技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的技術(shù)高度。許多讀者由此對(duì)臨近空間飛行器產(chǎn)生了濃厚興趣，希望進(jìn)一步了解臨近空間飛行器的有關(guān)情況。為此，我刊特約著名軍事評(píng)論員蘭順正先生對(duì)兩類(lèi)臨近空間飛行器進(jìn)行詳細(xì)介紹。

近年來(lái)，“臨近空間”的概念開(kāi)始頻頻進(jìn)入人們的視野。臨近空間又稱(chēng)為近太空、亞軌道、超高空，國(guó)外也有人稱(chēng)之為橫斷區(qū)、近空間。國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)將其范圍確定在23千米～100千米，但目前大多數(shù)專(zhuān)家傾向于把臨近空間的范圍定義為20千米～100千米，介于現(xiàn)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(huán)境特點(diǎn)是大部分區(qū)域空氣密度和溫度都很低，自然條件嚴(yán)酷，但氣象狀況沒(méi)有傳統(tǒng)航空空間復(fù)雜，雷暴閃電較少，也不會(huì)出現(xiàn)云、雨和大氣湍流現(xiàn)象。目前的臨近空間平臺(tái)主要有臨近空間高超聲速飛行器和臨近空間長(zhǎng)航時(shí)平臺(tái)。

物美價(jià)廉的臨近空間長(zhǎng)航時(shí)平臺(tái)

文/ 蘭順正

臨近空間長(zhǎng)航時(shí)平臺(tái)指的是飛行高度在臨近空間，能長(zhǎng)時(shí)間留空?qǐng)?zhí)行任務(wù)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(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)。

▲ 英國(guó)Airlander-10飛艇

高空氣球與飛艇

在二十世紀(jì)六七十年代，高空氣球常用于高空飛行試驗(yàn)。近幾十年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些關(guān)鍵技術(shù)，如蒙皮材料技術(shù)、氣球超壓技術(shù)等，有了很大突破，使得高空氣球開(kāi)始逐步用于科學(xué)觀察等目的。中國(guó)在這方面的成績(jī)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(nèi)蒙古首飛取得圓滿成功。該氣球球體體積約7000立方米，設(shè)計(jì)升限25公里，載重能力約150千克。在飛行中還搭載了四類(lèi)五種載荷，成功完成了高空無(wú)人機(jī)投放、高空吊艙環(huán)境熱控、高空農(nóng)業(yè)育種、高空太陽(yáng)能電池標(biāo)定和高空太陽(yáng)能電池性能測(cè)試等試驗(yàn)，取得了大量有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中多項(xiàng)試驗(yàn)均屬?lài)?guó)內(nèi)首次。同年10月25日，中國(guó)自主研發(fā)的旅行者3號(hào)臨近空間氦氣球在新疆測(cè)試飛行成功。旅行者3號(hào)在升空一個(gè)多小時(shí)后到達(dá)20公里以上高空的稀薄空氣中，共飛行了四個(gè)多小時(shí)，期間順利完成了一系列技術(shù)測(cè)試。

飛艇是氣球技術(shù)與操縱技術(shù)和推進(jìn)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，一戰(zhàn)的爆發(fā)使飛艇技術(shù)完全成熟起來(lái)，在一戰(zhàn)中各國(guó)對(duì)飛艇的軍事應(yīng)用也達(dá)到過(guò)高潮，但由于飛艇飛行速度慢、抗風(fēng)能力差，再加上所填充的氫氣易燃的缺點(diǎn)，其地位逐漸被飛機(jī)所代替。1937年5月6日，興登堡號(hào)飛艇失事后，飛艇逐漸被天空所遺忘了。但隨著技術(shù)的發(fā)展，此類(lèi)浮空器的性能大為提高，已能在近空間停留數(shù)月乃至一年，其巨大的軍用價(jià)值再次引起了各國(guó)的注意。

臨近空間長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)

臨近空間長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)一般以太陽(yáng)能為動(dòng)力，能在空中長(zhǎng)時(shí)間逗留。目前，國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了十余型臨近空間超長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，在美國(guó)，極光飛行科學(xué)公司和通用原子公司分別研制了帕修斯和阿爾塔斯等無(wú)人機(jī)，用于颶風(fēng)跟蹤探測(cè)。波音公司研制了禿鷹無(wú)人機(jī)用于廣域偵察監(jiān)視領(lǐng)域，并嘗試向預(yù)警探測(cè)領(lǐng)域拓展；正在研制的鬼眼無(wú)人機(jī)，瞄準(zhǔn)了戰(zhàn)區(qū)通信中繼應(yīng)用需求。在美國(guó)宇航局的支持下，航空環(huán)境公司研制了“太陽(yáng)神”系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，以滿足高空大氣環(huán)境研究和高空通信平臺(tái)等應(yīng)用需求。面向廣域互聯(lián)網(wǎng)接入應(yīng)用需求，谷歌公司正在研制索拉拉太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，臉書(shū)公司正在研制天鷹座太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。此外，英國(guó)以驗(yàn)證太陽(yáng)能動(dòng)力飛行的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)為目標(biāo)，研制了“西風(fēng)”系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，其最新型號(hào)西風(fēng)-8無(wú)人機(jī)已被英國(guó)國(guó)防部采購(gòu)。2017年6月由我國(guó)自行研制的彩虹太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在臨近空間高度成功試飛，使中國(guó)成為繼美、英之后第三個(gè)掌握臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)技術(shù)的國(guó)家。

臨近空間長(zhǎng)航時(shí)平臺(tái)的特點(diǎn)

以平流層飛艇為例，臨近空間長(zhǎng)航時(shí)平臺(tái)的特點(diǎn)有：

▲ 美國(guó)太陽(yáng)神號(hào)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)

① 效費(fèi)比高

和軍用飛機(jī)與衛(wèi)星相比，平流層飛艇的生產(chǎn)成本相對(duì)低廉。高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的價(jià)格往往為上千萬(wàn)美元，預(yù)警機(jī)和衛(wèi)星的價(jià)格甚至達(dá)到了數(shù)億美元。相比之下，一個(gè)40米長(zhǎng)的小型軟式飛艇的價(jià)格約為200萬(wàn)美元。

② 持續(xù)及定點(diǎn)工作時(shí)間長(zhǎng)

與軍用飛機(jī)相比，平流層飛艇的最大優(yōu)勢(shì)是可以滯留于空中。飛機(jī)在空中的飛行時(shí)間通常以小時(shí)來(lái)計(jì)算，而飛艇則是以天甚至月來(lái)計(jì)算，這使得它能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作；飛艇能夠定點(diǎn)工作，與飛機(jī)或衛(wèi)星的越空飛行相比，平流層飛艇能夠在目標(biāo)地域上空懸停，如果其上安裝了各種傳感器，就可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)、定點(diǎn)探測(cè)。

③ 相對(duì)安全

與其他航空器相比，平流層飛艇相對(duì)安全。其安全性主要體現(xiàn)在：一是由于平流層飛艇重量輕、結(jié)構(gòu)疏松，可采用無(wú)金屬骨架的軟體結(jié)構(gòu)，且需要的動(dòng)力很小，因此飛艇的外部信號(hào)特征，尤其是雷達(dá)截面積和紅外輻射強(qiáng)度都很容易采取措施以降低，一定程度上達(dá)到了隱身的效果。二是飛艇的囊體內(nèi)外壓差小，即便是受到炮火攻擊，內(nèi)部填充的氦氣泄漏速度也比較慢，通常可以有充裕的時(shí)間返回基地或著陸，不會(huì)立刻導(dǎo)致災(zāi)難性后果。三是目前的技術(shù)使得平流層飛艇能夠處于20公里以上，這樣的高度已超過(guò)了現(xiàn)在世界上絕大多數(shù)作戰(zhàn)飛機(jī)的攻擊高度和地空導(dǎo)彈的射高，所以部署平流層飛艇相對(duì)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(dá)對(duì)地面?zhèn)刹旄采w面積可達(dá)1200平方公里。平流層飛艇的飛行速度比飛機(jī)慢，而且能在目標(biāo)地域上空懸停，在飛艇上安裝的雷達(dá)之類(lèi)的傳感器能更容易探測(cè)到小型目標(biāo)。同時(shí)相較于衛(wèi)星，平流層飛艇的飛行高度低，從而能以更高的分辨率進(jìn)行拍照攝像。所以平流層飛艇可部分承擔(dān)衛(wèi)星的功能，是未來(lái)太空衛(wèi)星的有效替代和補(bǔ)充，又被稱(chēng)為偽衛(wèi)星。

⑤ 載荷限制少

平流層的空氣活動(dòng)不劇烈，飛艇能安靜平穩(wěn)地完成升降和飛行，這對(duì)其攜帶高科技監(jiān)視設(shè)備至關(guān)重要。平流層飛艇可以設(shè)計(jì)得很大，一般長(zhǎng)度均在150米以上，可以在氣囊中攜帶大型雷達(dá)天線，而此雷達(dá)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(xué)望遠(yuǎn)鏡和一系列其他遙感設(shè)備，以及目標(biāo)追蹤器、通信設(shè)備、電子戰(zhàn)設(shè)備等。

⑥ 戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)

由于結(jié)構(gòu)重量輕、采用無(wú)金屬骨架的軟體結(jié)構(gòu)以及非常小的動(dòng)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(cè)。同時(shí)，平流層飛艇不需要固定的機(jī)場(chǎng)和跑道，具備垂直起降功能，只需要簡(jiǎn)單的開(kāi)闊地即可，適于部署在地形復(fù)雜的山嶺和海島地區(qū)。

⑦ 無(wú)線通信及時(shí)準(zhǔn)確

平流層通信平臺(tái)是介于地面通信和衛(wèi)星通信之間的空中通信平臺(tái)。平流層通信比地面無(wú)線電通信覆蓋面積大，電波不會(huì)受到地面建筑物的干擾；與衛(wèi)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(shí)間大大縮短；平流層通信對(duì)地面終端所需功率要求小，有利于終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)便攜、手持和小型化。

各國(guó)近空間長(zhǎng)航時(shí)浮空器研制概覽

鑒于近空間長(zhǎng)航時(shí)浮空器的諸多優(yōu)點(diǎn)，目前很多國(guó)家均展開(kāi)了近空間長(zhǎng)航時(shí)浮空器的研制。

美國(guó)在研的近空間浮空器項(xiàng)目主要包括洛·馬公司的高空飛艇（HAA）項(xiàng)目和傳感器結(jié)構(gòu)一體化飛艇（ISIS）項(xiàng)目、西南研究院的高空哨兵項(xiàng)目以及谷歌公司的谷歌氣球項(xiàng)目。HAA飛艇與ISIS飛艇的用途主要是為美軍提供定點(diǎn)通信、情報(bào)、監(jiān)視和偵察能力，可以布設(shè)多艘飛艇組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋。2011年7月，HAA驗(yàn)證艇進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)。在2008年和2010年，高空哨兵飛艇先后開(kāi)展了兩次飛行試驗(yàn)，在升空至20公里的高度后，部分系統(tǒng)發(fā)生故障，留空時(shí)間僅有數(shù)小時(shí)，均未達(dá)到預(yù)定留空目標(biāo)。2012年以后，谷歌氣球項(xiàng)目進(jìn)展迅速，從谷歌公司首次公開(kāi)此項(xiàng)目到現(xiàn)在，谷歌氣球的留空時(shí)間由數(shù)十小時(shí)發(fā)展到環(huán)繞地球飛行半年以上。同時(shí)美國(guó)雷神公司也成功研發(fā)了塘鵝巨型飛艇，該飛艇長(zhǎng)約70米，自重約16噸，載重量約為66噸，能攜帶大型雷達(dá)在30公里的高空長(zhǎng)時(shí)間工作。美軍計(jì)劃在東海岸部署這種飛艇，用于防御來(lái)襲導(dǎo)彈和其他飛行器，據(jù)模擬，三艘“塘鵝”就可以監(jiān)控北緯45°以北地區(qū)，30艘就可以初步監(jiān)控全球。

英國(guó)的飛艇技術(shù)在世界上也同樣位于前列，在英國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2016年8月17日，英國(guó)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(zhǎng)92米、寬44米、高26米，載重量達(dá)10噸，飛艇內(nèi)部填充了約3.7萬(wàn)立方米的氦氣。HAV公司表示，Airlander-10最多能夠在空中手動(dòng)航行連續(xù)五天時(shí)間不間斷飛行，無(wú)人自動(dòng)航行則可以連續(xù)兩周時(shí)間不間斷，適用于緊急救援、空中監(jiān)管、旅行載客和物資運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用場(chǎng)景。

中國(guó)在飛艇領(lǐng)域的相關(guān)研究始于“十五”期間，近年來(lái)多所高校、科研院所開(kāi)展了方案論證、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等研究工作，近期部分民營(yíng)企業(yè)也投入到近空間飛艇的研制過(guò)程中。其中，北京航空航天大學(xué)在“十一五”和“十二五”期間完成了多次高空飛行技術(shù)驗(yàn)證，在超壓囊體、循環(huán)能源、動(dòng)力推進(jìn)、飛行控制和發(fā)放回收等飛艇關(guān)鍵技術(shù)研究上取得了重要突破。2015年10月，北京航空航天大學(xué)、北京南江空天科技股份有限公司共同完成了圓夢(mèng)號(hào)近空間飛艇的較長(zhǎng)時(shí)間留空飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了可控飛行與完好回收，同時(shí)開(kāi)展了近空間寬帶數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音圖像傳輸、對(duì)地觀測(cè)與空中態(tài)勢(shì)感知等初步應(yīng)用試驗(yàn)，獲得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試飛取得圓滿成功?！?/p>

薛滔

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臨近空間飛行器在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

臨近空間高超聲速飛行器具有顯著的軍用價(jià)值，但同時(shí)其技術(shù)成果也可應(yīng)用于民用領(lǐng)域。

氣象預(yù)測(cè)

近些年來(lái)，氣象預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)能力越來(lái)越強(qiáng)，氣象部門(mén)不僅可以提供半個(gè)月的天氣趨勢(shì)情況，甚至還可以精確預(yù)報(bào)某一時(shí)段、某一區(qū)域的氣象情況。

在中國(guó)氣象局推進(jìn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警工程中就有瞄準(zhǔn)航天工程對(duì)臨近空間保障的需求的建設(shè)內(nèi)容。目前，中國(guó)氣象局空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心已建成中頻雷達(dá)和光學(xué)干涉儀，能夠觀測(cè)到30公里～120公里區(qū)間內(nèi)的大氣成分、大氣密度、溫度、風(fēng)等要素。

災(zāi)后救援

在發(fā)生山體滑坡、泥石流、洪水、地震等自然災(zāi)害時(shí)，在臨近空間，利用飛艇搭載圖像采集設(shè)備，采用熱成像技術(shù)，可以對(duì)整片災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間值守，不受光線環(huán)境限制，而且可以進(jìn)行熱源探測(cè)，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)幸存者，與傳統(tǒng)救援方式相比，其監(jiān)控范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

近太空旅行

目前，受身體條件和昂貴的費(fèi)用限制，除了航天員，普通民眾很難有機(jī)會(huì)進(jìn)入外太空。但是利用臨近空間飛艇，或許在不久的將來(lái)，將實(shí)現(xiàn)人們近太空旅行的夢(mèng)想。

臨近空間飛艇的造價(jià)低、安全性好、乘坐舒適，只需數(shù)小時(shí)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(fèi)較少的費(fèi)用，就可以進(jìn)入20公里～40公里的近太空，體驗(yàn)一段神奇的近太空之旅。