浮空器：临近空间布“天眼”

中国航天 · 2016-10-31 15:27:12

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核心提示：美国宇航局日前宣布，将计划投资400万美元用于平流层飞艇设计竞赛，该飞艇将具备人造卫星的基本功能，但成本比火箭和卫星低很多。平流层飞艇是一种可以长期悬浮于平流层高空的浮空器，可用于对地面表面进行军事与民用侦察。由于动力技术的不断进步，飞艇和气球曾退居天空舞台的一个角落，但是，它们的戏份却依然存在。而且，随着需求的变化，飞艇似乎有重现往昔荣光的势头，特别是最近20年，科研人员一直在研究和改进平流层飞艇等浮空器，希望它们可以发挥更多、更广的用途。

一直以来，包括气球和飞艇在内的浮空器都受到了军方的重视。早期的气球用来侦察和提供炮兵校射。在二战中，盟军在北大西洋部署了大量气球，用来监视德国潜艇，其中一部分气球一直服役到上世纪60年代。冷战期间，美军一直在设法研制新型飞艇。随着飞机、卫星等技术的发展，飞艇曾一度退居天空舞台的一个角落，但漫长的伊拉克战争和阿富汗战争让飞艇重回视野。在这几场战争中，美军曾面临一个重要课题，就是如何发现敌方的小股武装。这些武装人员或出没于荒野，或混迹于平民。只有保持持续的侦察监视能力，才能及时发现他们，调派部队前去打击。美军在伊拉克和阿富汗尝试了各种手段，包括卫星和无人机，虽然取得了一定的成效，但也遇到许多问题。于是，人们又想到了浮空器。因成本优势伊拉克战争中曾显身手美军为什么会在伊拉克战争和阿富汗战争中选择浮空器监视敌方呢？因为和卫星、飞机相比，浮空器最大的优越性就是便宜。这里的便宜主要指单位滞空时间的成本。飞机要想持续服务于某个区域，或是观察监视，或是通信中继，就必须不停地在上空盘旋，不可能停下来。也就是说，飞机必须不停消耗油料才能保持滞空。至于卫星，要想保持在某个地区上空不断有卫星，就必须建设全球星座或者把卫星部署到地球静止轨道上。这两件事都需要亿美元级规模的费用。浮空器就不一样了，虽然现代高端浮空器的采购费用并不低，但和同等起飞重量的飞机相比，滞空时间就大不相同了。只要气囊不漏气，浮空器可以一直在天上飘着。美军为浮空器设定的任务时间可能长达1个月。而实际上，不载人的浮空器留空几年也不是问题。过去，由于制氦技术还不成熟，人们只能研制热气飞艇或者氢气飞艇。这两种技术路线都存在着很大的风险。前者导致了齐柏林飞艇空难，彻底断送了人们对大型热气飞艇的期望。至于氢气，本身就是一种危险品。而氦气作为惰性气体，既不会起火也不会爆炸。虽然氦气的密度比氢气大，承载同样载荷所需要的体积更大，但这种安全性还是让氦气成为新一代浮空器的首选技术，也为浮空器的安全性提供了保障。瞄准开发临近空间弥补空天一体化作业缝隙除了用于军事侦察，越来越多的国家开始将浮空器的应用瞄准在开发临近空间。临近空间，是指距离地球表面20~100公里的位置。这个空域的空气由低到高越来越稀薄，以致大多数飞机在该空域飞行困难，甚至无法飞行。而相对于卫星来说，该空域的万有引力又显得过大，如果以一定的高度轨道在这个空域长时间运行，成本巨大。因此，目前还没有任何人造的可操纵飞行器能在该空域长航时飞行或定点驻留。但从经济上来讲，如果在临近空间布置可操纵的浮空器来替代亚轨道卫星部分功能，完成各种以前只能靠卫星才能完成的工作，比如农作物产量估计、天气预报、恶劣天气预警、大地观测、通信中继等，将会大大降低工作成本，提高综合效益。此外，从国防安全方面来讲，在临近空间布置可操纵浮空器，能够凭借高度上的优势，用于早期预警、战时通信保障或攻击平台等。尤为重要的是，在临近空间布置可操纵浮空器，可作为空、天飞行器之间的协作中继，弥补空天一体化的作业缝隙。因此，不难看出，临近空间对于人类未来的发展有着非常重大的意义。于是，能从地面往返临近空间并长期驻留在这个空域、能够同时适应天空和临近空间这两种显著不同大气环境的可操纵浮空器，就成了热门之选。多国已加紧研制美高空飞艇可用于导弹预警也许是越来越透彻地认识到，能否充分开发和利用临近空间，关乎一个国家的科技竞争力以及经济、政治、国防安全，特别是这个国家未来在空天一体化发展进程中所处的位置。因此，最近十几年来，以美国、俄罗斯等发达国家为代表的许多国家都加大了浮空器的开发力度，以加快对临近空间进行探索利用的步伐。因此，美国仰仗其雄厚的航空航天科技实力和财力，先后提出并实施了“复合材料壳体高高度动力平台”、“集成传感器结构”、“高空长航时飞艇验证艇”等多个临近空间可操纵浮空器研制项目。“ 复合材料壳体高高度动力平台”是美国空军研究实验室主持的一个近空间飞艇项目。这是一种氦气飞艇，充气后的长度达到40多米，有效载荷能力不到30公斤。在2005年进行的试验中，该浮空器曾经抵达了22公里以上的高度，这里虽然是邻近空间的下限，但也算是越过门槛了。“集成传感器结构”是美国空军研究实验室主导的近空间飞艇计划，它装有一部非常巨大的雷达，从上到下穿透了艇身。因此，它的气囊分成前后两个，没有传统飞艇常见的吊舱。这种飞艇的长度可以达到140米，可以在20 公里的高度悬浮10年。主要作用是监视低空飞机、地面车辆和行人、海面船只。“高空长航时飞艇验证艇”简称高空飞艇，承包商是美国的洛克希德·马丁公司。2011年7月27日，高空飞艇首次升空，检验了发射、控制、通信链路、推进系统、太阳能电池、遥控等关键技术。按照美国军方的设想，高空飞艇是无人氦气飞艇，长150米，最大直径约45米，能够携带1814公斤的有效载荷，它的悬浮高度为18公里至21公里。由于飞艇体积大，给太阳能电池提供了充足的安装空间，这些电池总共可以发出15 千瓦的电力，其中可以提供给有效载荷的电力为7500瓦。高空飞艇将主要用于边境警戒和导弹防御。为了研制能在临近空间执行任务的飞行器，美国还提出了很多方案，包括临近空间飞机和浮空器。美国陆军甚至设想了一种极为巨大的临近空间飞艇，可以把整个指挥中心装进去。需要注意的是，由于临近空间位于对流层之上，没有云雾等天气现象，所以光照条件极好，具备靠太阳能供电的条件，因此多数临近空间飞艇都在背部设计了大面积太阳电池。由此看来，浮空器真有可能在航天领域拥有一席之地，很可能在未来创造更多的军事、经济、社会效益。那么，一些在浮空器方面几乎没有积累的国家，应该瞄准差距，查找不足，努力发展。（常飞袁平淦）

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