临近空间飞行器的现状及发展趋势

2010年1月

　　　　　　　　　　国防技术基础　　　　　　　　　　　　　第1期

临近空间飞行器的现状及发展趋势

王亚飞　安永旺　杨继何

(电子工程学院)

摘　要:临近空间飞行器具有航空航天飞行器无法比拟的优势,在军事上有着广阔的应用前景。

介绍了临近空间及临近空间飞行器的概念和特点,。

关键词:临近空间　临近空间飞行器　发展趋势

一、临近空间(nears行的最低高度,20～100km的空域。临近空间区域包括大气平流层(高度11～55km)的大部分区域,中间大气层区域(高度55～85km)和少部分热层区域(高度85～800km)。临近空间的显著特点包括:空气相对稀薄;大气中杂质少;环境温度变化复杂;臭氧和太阳辐射强;20～40km区域平均风速最小。

临近空间飞行器(nearspacevehicleNSV)是指可在临近空间作长期持久飞行的大气飞行器。根据飞行方式和原理,临近空间飞行器具体分类见图1。

临近空间飞行器的军事应用前景十分广阔,可用于侦察监视、通信中继、战区预警、电子对抗、区域导航等方面。

它的发展和应用将可能为

未来战争开辟一个新战场,进一步促进空天一体化的发展。临近空间飞行器在应用上不同于一般飞机和卫星的独特优点主要表现在以下几个方面。

11生存能力强

首先,多数固定翼飞机和地空导弹由于升力

础上,大量应用电子计算机辅助管理,替代人工处理信息。一般先从电子计算机单项应用入手,逐渐发展建立电子计算机辅助管理系统,达到信息共享。具有运算速度快、计算结果精确和信息贮存量大等特点。现代化质量信息管理是以人为主体,

以电子计算机为辅助管理的一种新型管理形式。

(本文作者通讯地址:北京市7200信箱海军分

箱,邮编:100074)

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临近空间飞行器的现状及发展趋势

不足,不能在临近空间内机动飞行;传统航天器由于大气阻力也无法在临近空间中维持运行轨道,这为临近空间飞行器提供了相对安全的环境。其次,临近空间飞行器多采用无金属骨架的软体结构,雷达发射截面小而且低速运行,传统探测器不易发现。

21驻空时间长

大部分临近空间飞行器的能耗很低,无需频繁补充燃料,其工作时间一般只受天气、故障和例行维修的限制,因此可以持续工作数天或数月以上。这样长的驻空时间是飞机不能比拟的,这对于长时间的侦察监视和预警探测至关重要。

31响应速度快

与卫星相比,临近空间飞行器的发射设备和发射程序较为简单,可随时应急升空,部署。另外,,信息传输时延较小,41,用于中继通信和侦察监视。临近空间飞行器的制造和使用费用远低于现有的无人驾驶飞机或卫星。飞行平台可返回,可重复使用,载荷可维修,可更换。而且像气球和滑翔机之类的临近空间飞行器安全着陆性能好,有益于昂贵或敏感的有效载荷的回收和再应用。

二、临近空间飞行器的发展现状

近年来,随着技术的进步和军事需求的增长,各主要军事强国纷纷制定发展规划,加强理论研究和技术研发,积极探索临近空间平台的军事应用潜力。其中,美国在临近空间飞行器的技术领域处于领先地位,俄罗斯、英国、以色列等国家在此领域也取得了初步研究成果。

11美国

2005年8月8日,美国国防部发布了《无人飞行器系统路线图2005—2030》,该路线图首次将无人飞艇列入无人飞行器系统范畴。将无人飞艇划入无人飞行器系统,使得美国无人飞艇的发展首次获得了明确指导。表1列出了美国典型的临近空间飞行器计划,下面就几个具有较高军事应用价值的美国临近空间飞行器进行介绍。

(1)“临近空间机动飞行器”

美国空军空间作战实验室目前正在积极开发充氦飞艇技术,其典型方案为JP宇航公司的“临近空间机动飞行器”(NSMV)。其原型艇“攀登者”(Ascender)外形酷似V字见图2,全长53m,宽30m,安装有两台由燃料电池驱动的螺旋桨推进器,采用GPS系统导航。“攀登者”飞行高度为30～50km,可利用自身携带的控制系统调节各舱室的氦气容量,改变飞行状态。它集卫星和侦察机的功能于一身,由地面遥控设备操纵,能完成空中侦察、战损评估、通信中继等任务。2003年11月,备的“的高空进行初期实,kg载荷、悬停52005年3月,美国空军进“攀登者”裸机的30km高空飞行试验,但均未达到预期目的。在第一次飞行试验中,气囊发生了爆炸;在第二次试验中,搭载的相机未能正常工作,

没有获得所需的数据。

(2)“高空飞艇”

美国导弹防御局从2003年开始实施“高空飞艇”(HAA)先期概念技术演示计划,旨在验证一种可携带多种有效载荷、能在临近空间长航时飞行的飞艇,并评估其军事效用。2003年9月,HAA开始进入原型艇设计与风险降低阶段。2005年12月,美国导弹防御局授予洛克希德 马丁公司原型艇制造和演示验证阶段合同,开始制造0原型艇。按照设计,高空飞艇长15214m,

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电池,能为有效载荷提供5kW的动力;有14个

特别设计的螺旋推进器,分别由14个115kW无刷自流电机驱动。它能够完成大多数情报侦察监视和无线电通信任务。2001年8月13日,Helios的原型机进行了第一次试飞,达到了28195km的高度,创造了不用火箭为动力的无人机的最高飞行高度记录。由于Helios遇到夜间能源供应等问题,

目前还难以实现长期滞空。

直径4817m,充氦气,留空高度约20km,体积

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为150万m。原型艇留空时间为1个月以上,可携带227kg有效载荷,功率为3kW;任务艇留空时间为1年左右,可携带1816kg有效载荷,功率为15kW。其主体结构采用柔韧的纤维复合材料,既轻便又坚固。飞艇表面安装薄膜太阳能电池组,除了可以产生推动飞艇前进的部分动力外,还可以提供大约10kW的额外动力以保证飞艇搭载设备的正常使用。飞艇配备可覆盖直径1200km圆形区域的监视雷达和其他传感器。高空飞艇是美国导弹防御系统的一部分,其主要任务是监视可能飞向北美大陆的弹道导弹和巡航导弹等目标。HAA飞艇还可以在战区上空不间断地监视敌方部队的活动,甚至携带激光测距瞄准仪,标。

(3)“美国约翰 (APL)正在自“空侦察飞行器”(HARVe)的研究工作。该方案是将一个气球形状的飞行器及其他传感器装载在飞机或不带战斗部的导弹上,用飞机或导弹将其运送到高空后释放。HARVe将自行充气并启动它的推进系统和传感器,然后自行进入自己的工作区域。APL设想的飞行器运载方案,解决了飞行器从地面飞入高空可能会遇到的一些难题,如强风或漩涡对飞行器的破坏。HARVe将作为一种超视距通信节点/中继或情报、监视、侦察(ISR)平台投入使用。方案经过验证后,HARVe还将用于弹道导弹防御,探测敌方导弹发射,提供导弹主动飞行阶段的时间提前量。

(4)“太阳神”

美国AeroEnvironment公司研制的“太阳神”(Helios)无人机代表了目前高高空无人机的最高水平见图3。Helios的翼展7513m,翼弦2144m,翼厚0129m,飞行时的总重量为929kg,其中载重329kg(包括压舱带、电子设备、各用能量系统等)。Helios飞行器采用了轻质网状机翼,利用太阳能作为能源动力并依靠空气动升力飞行。机翼的上表面覆盖了61000块太阳能

21俄罗斯

近年来,俄罗斯飞艇研究工作主要由Augur航空中心实施。根据俄罗斯海军的要求,Augur航空中心目前正集中力量研究一种供海上作战支援用的大型飞艇。该飞艇设计直径58m,长290m,有效载荷200t,以90km/h的巡航速度飞行时,飞行距离15000km,最大飞行时速150km。飞艇的动力装置为9个发动机,推力矢量控制系统可以实现垂直面转动,并为空中悬浮状态下的飞艇提供姿态调整。飞艇外表面为复合材料制成的硬质外壳,在飞艇中部有一个宽大的载货隔舱。该飞艇将利用多个电弧等离子体加速器对充气气体进行加热。等离子体加速器的优点是尺寸小,调节范围宽,而且可以控制热值。采用等离子体加速器还有效地解决了飞艇在高空飞行壳体容易结冰的问题。　　31英国

英国先进技术集团公司正在研究“天猫”系列有人飞艇,用于战术与战略空中运输、空中预警、反水面战、地雷探测等方面。“天猫”系列飞艇采用空中气垫着陆系统,能像气垫船一样平

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表1　美国典型临近空间飞行器计划及其进展

国家/部门美国导弹防御局、美国陆军

美国空军航天司令部

美国海军航空兵飞船先进项目办公室美国国家侦察办公室

AeroEnvironment公

项目名称高空飞艇(HAA)

类型平流层飞艇

主要用途导弹预警、激光武器平台

进展情况

2008年进行用户评估,2010年进行任务艇开发

战斗天星平流层气球通信2006年4月实验验证成功,正在研发中

河豚鱼平流层飞艇2004年完成实验验证,处于关键技术攻关阶段

AHAB先进的高高空长航时无人机

高空长航时无人机

空航空体

高空侦察

司

太阳神环境调查及遥感2003年试验失败

美国航空航天局

超压超长航时气球(ULDB)高空侦察飞行器

(HARVe)

平流层气球美国约翰霍金斯大学

研制中

美国JP宇航公司平流层漂浮平台

地面到空间的中转站

处于概念设计阶段

美国JP宇航公司

近太空机动飞行器(NSMV)

平流层飞艇通信2005年的两次试验均失败

美国RAVEN公司高空哨兵平流层飞艇监视、通信处于试验验证阶段

美国CollaborX公司和Multimax公司

最高飞行者

(Maxflyer)

平流层气球

监视、侦察、通信

处于试验验证阶段

稳地降落在平地、草地、雪地、沼泽或水面上,

降落后不需要绳索系留。艇体采用多层纤维材料,内充氦气,中部设有负载舱。飞艇采用基于光纤技术的双信道光学信号飞行控制系统和艇首推进器,后者在低速飞行时能精确控制艇首方向。“天猫”系列飞艇包括“天猫—20”、“天猫—200”和“天猫—1000”三种型号。

“天猫—20”是最先问世的一种型号。该飞艇采用4台额定功率为447kW的柴油发动机,最大飞行速度148km/h,巡航速度为130km/h,最多可携带20t的有效负载,满载情况下航程为2250km。负载舱长2213m,宽3m,设有侧门和后门。“天猫—200”采用4台5996kW的涡轮涡扇发动机,巡航速度为139km/h,航程为5970km,最多可携带200t有效负载。负载舱长4914m,宽715m,配有装卸货物用的活动梯。

“天猫—1000”采用6台涡扇发动机,可携带1000t有效负载,巡航速度达到185km/h,航

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程为7408km。负载舱提供195m的装货面积,前后均配有活动梯。

41其他国家

日本的平流层平台2003年8月完成了无动力高空飞行试验,飞行高度达1614km,在空中停留约30min;2004年试飞了一艘飞艇,飞行高度为4000m。日本计划2010年完成长150m级、

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技术的不断发展及满足系统任务扩展的需求,集

成化、综合化的任务载荷已经成为临近空间飞行器的发展方向。以美国为例,“全球鹰”无人机同时具有合成孔径雷达(SAR)和光电/红外(EO/IR)组件,而“最高飞行者”平流层气球可选择的有效载荷包括图像、通信和情报收集等不同应用目的的传感器组件。

41控制自主化

随着信息和电子技术的不断发展,临近空间飞行器的定点保持、压力控制和航向控制等都将朝着自动化的方向发展。临近空间装备在长期定点过程中,,如何长时定,是一项亟待;/;临近空间装备在低速巡航飞行时,需要考虑压力调节、航向控制等问题。若自主控制的问题得以解决,临近空间飞行器在军事上的广泛应用将指日可待。

飞行高度为18km的验证艇的研制工作;计划2013年完成长200m级、飞行高度为20km的实用艇的研制工作。

2004年初,以色列飞机工业公司公布了一种巨型飞艇设计方案—太阳能飞艇(SPA),希望它能在20000m以上的高空执行侦察、通信等任务。按设计,太阳能飞艇长190m,宽60m,重量达到20t左右,能携带118t的有效载荷。该飞艇将具有极高的稳定性,可连续工作约3年。目前飞艇上已装载可编程雷达(APR)系统来实现对北部边界的防御。

另外,韩国、德国等国家也制定了临近空间飞行器发展计划,所采用的平台大多数为平流层飞艇,预定留空时间从几天到1年不等,有效载荷能力从几十到2000kg处于演示验证阶段。

三、11,但仍有可能被地面探测设备或侦察卫星发现,因此外形材质的隐身化是对临近空间飞行器的基本要求。采用隐身技术,不仅可以缩短敌方探测设备发现目标的距离,提高临近空间飞行器的生存能力,而且能提高临近空间飞行器的突防能力,达成作战的突然性。因此,开发多频谱和智能型的隐身材料,提高临近空间飞行器的隐身性能是今后技术攻关的关键。

21航时持久化

与其他飞行器相比,临近空间飞行器的一个独特优点就在于其执行任务的连续性和持久性。为了保证临近空间飞行器能够长时间持续飞行,需要提高其推进系统的性能。目前,比较有前途的技术是将光电电池覆盖在临近空间飞行器的上表面,作为电力发动机和有效载荷的动力,并为夜间飞行蓄存电力。这种技术具有将临近空间飞行器驻空时间提高到数周乃至数月的潜力。

31功能多样化

临近空间飞行器的任务设备主要有侦察载荷、通信载荷、战术导航载荷等。随着任务载荷

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(本文第一作者通讯地址:安徽省合肥市电子工

程学院204教研室,邮编:230037)

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/umpe.html