臨近空間的武器裝備發(fā)展及趨勢(shì)簡(jiǎn)析

馬少維

(中國(guó)人民解放軍31511部隊(duì)，北京 100144)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界各軍事強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)展了“制臨近空間權(quán)”的角逐。搶先進(jìn)入臨近空間、控制臨近空間和利用臨近空間，已成為當(dāng)前世界各國(guó)國(guó)家安全和軍事發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。以美國(guó)為首的西方強(qiáng)國(guó)經(jīng)過(guò)探索和研究，目前已經(jīng)在臨近空間作戰(zhàn)研究工作方面取得一系列成果。

本文針對(duì)臨近空間武器裝備的研究現(xiàn)狀和軍事應(yīng)用前景展開(kāi)討論，分析了國(guó)內(nèi)外臨近空間武器裝備的發(fā)展及趨勢(shì)，并分析了臨近空間飛行器在軍事應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上闡述了臨近空間飛行器的未來(lái)應(yīng)用前景，為臨近空間領(lǐng)域的探索及臨近空間飛行器的研究和發(fā)展提供了思路。

1 開(kāi)發(fā)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(jī)的飛行空間和航天器軌道空間之間的區(qū)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(tǒng)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(biāo)(距地面100 km以上)及實(shí)施通信、遙測(cè)、偵查、輸送、攔截和打擊陸地、海洋與空中目標(biāo)的飛行器的統(tǒng)稱(chēng)。臨近空間飛行器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)主要包括：

一方面，臨近空間具有相對(duì)安全且廣闊的工作環(huán)境。臨近空間以下，目前絕大多數(shù)的作戰(zhàn)飛機(jī)、偵察飛機(jī)和地空導(dǎo)彈都沒(méi)有辦法到達(dá)這一高度，對(duì)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(méi)有進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)階段，面對(duì)臨近空間的威脅，太空中的衛(wèi)星們或許看得到卻也動(dòng)不得。如此一來(lái)，臨近空間便成了目前一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)獨(dú)立的“真空”層。再加上臨近空間沒(méi)有雷暴閃電也沒(méi)有云、雨和大氣湍流現(xiàn)象，在這里的飛行器就顯得自由且安全。

另一方面，性?xún)r(jià)比高是臨近空間飛行器的又一優(yōu)勢(shì)。與飛機(jī)等航空器相比，臨近空間中的浮空器和氣球留空時(shí)間長(zhǎng)，可以長(zhǎng)達(dá)幾天、數(shù)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間；同時(shí)現(xiàn)有的飛艇類(lèi)飛行器隱身性能更好。與衛(wèi)星等航天器相比，發(fā)射成本較低；而它的靈活度和靈敏度高得多，既可以隨風(fēng)飄浮，也可以瞬間加速追蹤、打擊，或者懸停，而且對(duì)地觀測(cè)分辨率通常要高于衛(wèi)星。

從發(fā)展總體水平上看，浮空器和氣球類(lèi)裝備的研制仍處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與演示驗(yàn)證階段；而高超聲速武器已經(jīng)進(jìn)入工程研制階段，俄羅斯甚至已經(jīng)開(kāi)始戰(zhàn)斗值班。準(zhǔn)確掌握外軍在臨近空間武器裝備研究領(lǐng)域的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于制定正確的臨近空間發(fā)展策略，控制和利用臨近空間具有重要的意義。

2 世界各國(guó)臨近空間武器裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

美軍認(rèn)為，臨近空間飛行器可以包括飛艇、氣球、高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、遠(yuǎn)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(dòng)態(tài)飛行器和高動(dòng)態(tài)飛行器兩類(lèi)。因此，這里針對(duì)這兩類(lèi)飛行器的各國(guó)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

2.1 低動(dòng)態(tài)飛行器

美國(guó)在臨近空間發(fā)展低動(dòng)態(tài)飛行器，主要包括氣球和飛艇、無(wú)人機(jī)三類(lèi)，主要有2個(gè)特點(diǎn)：一是將一些新研制的或正在開(kāi)發(fā)的先進(jìn)傳感器系統(tǒng)集成到現(xiàn)有飛艇上，使其用作國(guó)土安全保障系統(tǒng)或用于軍事通信、偵察和監(jiān)視平臺(tái)；二是發(fā)展超大型運(yùn)輸飛艇。目前已經(jīng)研制成功的典型飛行器有“攀登者”(Ascender)飛艇、“戰(zhàn)斗天星”(CombatSkySat)氣球、HAA高空飛艇、“近空間機(jī)動(dòng)飛艇”(NSMV)、高空“哨兵”(HiSentinel)、“海象”(Aalrus)運(yùn)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(dòng)態(tài)飛行器外，美軍還在加緊研究能飛行于臨近空間高度的無(wú)人機(jī)，如美國(guó)諾斯羅普-格魯門(mén)公司的RQ-4A“全球鷹”無(wú)人機(jī)已經(jīng)投入使用，該無(wú)人機(jī)可在21 km以上高度執(zhí)行42 h任務(wù)，其有效載荷能力在1800 kg以上；在研的無(wú)人機(jī)包括可飛行于高度20 km左右的“大黃蜂”無(wú)人機(jī)，飛行于高度在20 km左右、連續(xù)飛行時(shí)間在一周左右的“全球觀察者”無(wú)人機(jī)，以及飛行于高度在30 km左右、連續(xù)飛行時(shí)間為數(shù)周或數(shù)月的“太陽(yáng)神”無(wú)人機(jī)等，如圖1所示。

圖1 “太陽(yáng)神”無(wú)人機(jī)

國(guó)外開(kāi)發(fā)平流層高空氣球的研制單位較多，其先進(jìn)水平的代表為美國(guó)NASA研制的超壓、長(zhǎng)航時(shí)高空氣球(ULDB)，最高可達(dá)48.7 km的高度，可攜帶680 kg有效載荷，如圖2所示。目前國(guó)內(nèi)以中國(guó)科學(xué)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(dá)到40 km，該所研制6 m×10 m的氣球，最大發(fā)放有效載荷質(zhì)量1500 kg，飛行高度為40 km。

圖2 ULDB

2.2 高動(dòng)態(tài)飛行器

高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器主要可分為兩大類(lèi)：以火箭為動(dòng)力的高超聲速飛行器(HRV)和以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的高超聲速飛行器(HAV)，如高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)等。

2006年美國(guó)防部下屬的DARPA和空軍聯(lián)合提出了一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃——“FALCON”(獵鷹)計(jì)劃。該計(jì)劃的核心就是要研制一種可重復(fù)使用、可再入大氣層、以高超聲速飛行、無(wú)人駕駛的空天飛機(jī)，遂行偵察任務(wù)。該計(jì)劃將采用一種漸進(jìn)式的技術(shù)開(kāi)發(fā)方法，研發(fā)高超聲速武器系統(tǒng)的通用技術(shù)，并進(jìn)行演示驗(yàn)證。超聲速武器系統(tǒng)部分包括通用航空器(CAV)、增強(qiáng)型通用航空器(ECAV)和超聲速巡航飛行器(HCV)。后來(lái)DARPA和空軍按照國(guó)會(huì)的意向，將FALCON計(jì)劃中的CAV重新命名為HTV，并研制了樣機(jī)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(yàn)均獲得了馬赫數(shù)為20的空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，官方宣布試驗(yàn)獲得成功。

圖3 HTV-1

圖4 HTV-2

美國(guó)其他高動(dòng)態(tài)飛行器計(jì)劃包括：美國(guó)宇航局的Hyper-X計(jì)劃是20世紀(jì)90年代中期美國(guó)宇航局提出“先進(jìn)高超聲速吸氣式推進(jìn)”計(jì)劃，其目的是研究并演示可用于高超聲速飛機(jī)和可重復(fù)使用天地往返系統(tǒng)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)；美國(guó)空軍的HyTech計(jì)劃，其近期目標(biāo)是將碳?xì)淙剂想p模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于馬赫數(shù)4～8的高超聲速導(dǎo)彈，遠(yuǎn)期目標(biāo)是研制馬赫數(shù)8～10的高超聲速飛機(jī)；DARPA在2002年提出HyFly計(jì)劃，目標(biāo)是發(fā)展馬赫數(shù)為6的高超聲速巡航導(dǎo)彈。

俄羅斯在高超聲速研究，特別是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究方面有著傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。前蘇聯(lián)早在1957年就開(kāi)始進(jìn)行了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究。幾十年來(lái),俄羅斯中央空氣流體動(dòng)力研究院、中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院、圖拉耶夫聯(lián)盟設(shè)計(jì)局、彩虹設(shè)計(jì)局、莫斯科航空學(xué)院等許多單位都開(kāi)展了高超聲速技術(shù)研究。由巴拉諾夫中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院等幾個(gè)單位共同進(jìn)行超然沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制的“冷”計(jì)劃，1991年首次在飛行試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)超燃工作模態(tài)?！苞棥庇?jì)劃目標(biāo)是研制一種有翼的高超聲速試驗(yàn)飛行器，從飛行器的發(fā)射方式、飛行軌道、馬赫數(shù)及航程等方面，都顯示了很高的水平，被認(rèn)為是俄羅斯高超聲速戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈的雛形。

臨近空間作為科技與軍事應(yīng)用的新空間，無(wú)論低動(dòng)態(tài)還是高動(dòng)態(tài)飛行器關(guān)鍵技術(shù)都在被迅速突破，尤其是美國(guó)不斷推出新型飛行器飛行演示，軍事專(zhuān)家們普遍認(rèn)為，開(kāi)發(fā)和利用臨近空間必將成為作戰(zhàn)能力新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

3 臨近空間武器裝備的主要應(yīng)用

3.1 用作偵查監(jiān)視平臺(tái)

與臨近空間飛行器相比，航空平臺(tái)的分辨率較高，但其覆蓋范圍有限，不能長(zhǎng)時(shí)間駐留，并且其生存能力較低；軌道平臺(tái)則更多地用于戰(zhàn)略層次的任務(wù)，分辨率和對(duì)特定地區(qū)的覆蓋率都不如臨近空間飛行器。航空平臺(tái)、臨近空間平臺(tái)和軌道平臺(tái)配合使用，可以實(shí)現(xiàn)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)任務(wù)區(qū)域的全方位、全時(shí)段的綜合偵察監(jiān)視。作為偵察監(jiān)視平臺(tái)，臨近空間飛行器不僅可用于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知，還可用于海洋監(jiān)視、氣象監(jiān)測(cè)、打擊效果評(píng)估、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、空中預(yù)警等。

3.2 用作通信中繼平臺(tái)

臨近空間飛行器作為通信平臺(tái)可以廣泛應(yīng)用于軍事和民用通信。與衛(wèi)星通信相比，其優(yōu)勢(shì)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(shí)延小、發(fā)射功率低，易于實(shí)現(xiàn)通信終端的小型化、移動(dòng)化，建設(shè)周期短，管理、維護(hù)和升級(jí)容易，成本低。與地面無(wú)線通信相比，臨近空間通信平臺(tái)的覆蓋范圍大、發(fā)射功率低，建設(shè)周期短、易于升級(jí)，通信不受地形的限制，可以全天候連續(xù)工作。

3.3 用作電子對(duì)抗平臺(tái)

臨近空間飛行器由于生產(chǎn)和使用成本低、活動(dòng)區(qū)域廣、沒(méi)有人員危險(xiǎn)等特點(diǎn)，有著其他空域電子對(duì)抗設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)越性。特別是，臨近空間飛行器可以在目標(biāo)上空長(zhǎng)期駐留，進(jìn)行不間斷的電子對(duì)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(dǎo)、目標(biāo)指示雷達(dá)，減少敵雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和預(yù)警的時(shí)間，為作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈等提供長(zhǎng)時(shí)間的電子支援干擾，從而提高這些作戰(zhàn)武器在作戰(zhàn)過(guò)程中的突防能力、作戰(zhàn)效能和生存概率。臨近空間飛行器還可以發(fā)射高強(qiáng)度的衛(wèi)星導(dǎo)航干擾信號(hào)，從而降低了敵方的作戰(zhàn)效能；同時(shí)，臨近空間飛行器也可以發(fā)射增強(qiáng)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。

3.4 用作空間武器平臺(tái)

低速的臨近空間飛行器具有諸多潛在的軍用價(jià)值：搭載一定的武器裝備后，可以長(zhǎng)時(shí)間在戰(zhàn)區(qū)上空巡航，一旦需要，可以從空中迅速對(duì)敵地面戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)施打擊，這種居高臨下的突然性攻擊可極大地壓縮預(yù)警反應(yīng)時(shí)間，具有很強(qiáng)的戰(zhàn)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(tái)時(shí)，具有機(jī)動(dòng)速度快、覆蓋范圍大、高空作戰(zhàn)不受氣候條件限制等特點(diǎn)，可以使用常規(guī)彈藥、高能微波武器、高能激光武器等對(duì)敵方高價(jià)值目標(biāo)進(jìn)行快速、精確打擊。目前對(duì)作為攻擊武器平臺(tái)的臨近空間飛行器的研究主要考慮將其作為對(duì)地攻擊的平臺(tái)，但是由于它所處的位置比傳統(tǒng)的天空更接近太空，因此完全可以勝任作為反衛(wèi)星等航天器的攻擊武器平臺(tái)，通過(guò)高能激光、反衛(wèi)星導(dǎo)彈等裝備來(lái)干擾或打擊空間目標(biāo)。

4 發(fā)展臨近空間武器裝備需解決的問(wèn)題

4.1 高超聲速推進(jìn)技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)高超聲速巡航飛行，首先必須具有適合的推進(jìn)系統(tǒng)。目前的研究重點(diǎn)是：動(dòng)力裝置總體方案；先進(jìn)控制和燃料供給系統(tǒng)；沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃料及材料熱沉利用；長(zhǎng)時(shí)間工作技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)等。

4.2 高超聲速制導(dǎo)導(dǎo)航技術(shù)

制導(dǎo)方式的分析和選取是高超聲速導(dǎo)彈研制的關(guān)鍵任務(wù)。不僅與制導(dǎo)精度、打擊多目標(biāo)能力、抗干擾能力等因素相關(guān)，還將受到目標(biāo)機(jī)動(dòng)性、武器成本、技術(shù)水平可實(shí)現(xiàn)性等因素的影響。從近年國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況來(lái)看，目前帶落角約束的導(dǎo)引方法，包括對(duì)比例導(dǎo)引律的改進(jìn)、基于最優(yōu)控制原理的導(dǎo)引方法、非線性導(dǎo)引律和變結(jié)構(gòu)導(dǎo)引律等是高超聲速武器的研究熱點(diǎn)。但相關(guān)研究的重點(diǎn)多在導(dǎo)引方法的推導(dǎo)和研究，在導(dǎo)引律的過(guò)載特性、彈道特性以及位置和角度控制精度等重要的導(dǎo)引性能的研究方面還顯不足，存在導(dǎo)引律結(jié)構(gòu)復(fù)雜、導(dǎo)引參數(shù)時(shí)變、導(dǎo)引信息種類(lèi)和精度需求高等缺點(diǎn)，其工程應(yīng)用相對(duì)困難。

4.3 高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)

當(dāng)飛行器以高超聲速飛行時(shí)，氣動(dòng)加熱非常嚴(yán)重。為此，必須掌握與高超聲速飛行器氣動(dòng)布局及與推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)相關(guān)的高超聲速流動(dòng)規(guī)律，解決在真實(shí)飛行環(huán)境下所出現(xiàn)的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱新課題。目前，各國(guó)正積極發(fā)展與高超聲速空氣動(dòng)力與熱力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論、建模計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.4 一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

目前的研究重點(diǎn)是：氣動(dòng)設(shè)計(jì)一體化，要考慮減小阻力、增加升力，還要考慮氣動(dòng)加熱、熱防護(hù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化，特別是熱結(jié)構(gòu)及燃料供應(yīng)與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化；飛行器各子系統(tǒng)及各主要參數(shù)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)一體化；發(fā)動(dòng)機(jī)推力控制與飛行器飛行控制一體化等。

4.5 結(jié)構(gòu)材料技術(shù)

臨近空間晝夜溫差極大，對(duì)材料及系統(tǒng)控制要求極高。超聲速飛行器要求盡可能地減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并克服氣動(dòng)加熱問(wèn)題。因此,長(zhǎng)壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強(qiáng)度、低密度的結(jié)構(gòu)材料對(duì)于研制高超聲速飛行器是非常關(guān)鍵的。主要涉及的結(jié)構(gòu)材料技術(shù)是輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐高溫材料和熱防護(hù)技術(shù)。

4.6 飛行控制技術(shù)

臨近空間飛行器控制問(wèn)題研究的重點(diǎn)是：面對(duì)飛行器所具有的多變量、時(shí)變參數(shù)、強(qiáng)魯棒性、高度非線性、縱橫向交叉耦合、氣動(dòng)彈性效應(yīng)顯著等挑戰(zhàn)性難題，研究系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模、控制律設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析方法，尤其是長(zhǎng)時(shí)間巡航飛行，嚴(yán)酷力、熱載荷環(huán)境下的伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題以及高機(jī)動(dòng)狀態(tài)下的精確控制問(wèn)題等。

4.7 法律制度問(wèn)題

臨近空間具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但對(duì)其性質(zhì)和法律地位尚缺乏權(quán)威的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。關(guān)于臨近空間的法律性質(zhì)存在著不同觀點(diǎn)，爭(zhēng)議焦點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面：一是臨近空間是否應(yīng)作為一個(gè)獨(dú)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(guān)系。盡管臨近空間目前尚未取得獨(dú)立的法律地位，但是其應(yīng)成為一個(gè)獨(dú)立的法律概念。臨近空間不宜發(fā)展成為與空氣空間、外層空間相并列的第三類(lèi)獨(dú)立空間，而應(yīng)是在當(dāng)前空間二元?jiǎng)澐种碌囊粋€(gè)細(xì)分層次，從屬于空氣空間?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)立臨近空間的無(wú)害通過(guò)制度來(lái)調(diào)整臨近空間中飛行需要與國(guó)家安全之間的沖突，其它方面則應(yīng)使用空氣空間法的規(guī)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

臨近空間對(duì)于國(guó)防安全，有著不可替代的作用，憑借高度上的優(yōu)勢(shì)，除了可以用于早期預(yù)警，戰(zhàn)時(shí)通信保障和攻擊平臺(tái)外，還可以作為空、天飛行器之間的協(xié)作中繼，彌補(bǔ)空天一體化的作戰(zhàn)縫隙。

本文中簡(jiǎn)要介紹了世界各國(guó)尤其是美國(guó)臨近空間武器的研究進(jìn)展，總結(jié)歸納了其發(fā)展的趨勢(shì)特點(diǎn)，對(duì)制定我國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展策略具有一定的啟示。

在制定空間技術(shù)發(fā)展策略時(shí)，針對(duì)目前空間武器發(fā)展形勢(shì),立足實(shí)情、統(tǒng)籌規(guī)劃、重點(diǎn)發(fā)展是關(guān)鍵。