臨近空間飛行器發(fā)展歷史研究

白楊 陳昊 楊亞雄

摘 ?要：臨近空間飛行器是一種全新的武器作戰(zhàn)平臺，擁有廣泛的運用前景。本文主要介紹臨近空間及臨近空間飛行器的概念，概括了臨近空間飛行器的發(fā)展動因、發(fā)展歷史和下一步的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：臨近空間;臨近空間飛行器;發(fā)展歷史;發(fā)展趨勢

臨近空間飛行器是在常規(guī)飛行器之外，自身所具備的一種全新作戰(zhàn)空間和作戰(zhàn)樣式的新型武器裝備，其廣袤的發(fā)展前景與發(fā)展?jié)摿ξo數(shù)的世界大國的發(fā)展目光，研究其發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢對我軍今后打贏復(fù)雜電磁環(huán)境下的信息化戰(zhàn)爭具有重大意義。

一、發(fā)展的動因及背景

臨近空間（near space）——始于現(xiàn)有常規(guī)航空器可駐留飛行的最高高度，止于低軌道航天器維持軌道飛行的最低高度，通常指距海平面20～100km的空域范圍。臨近空間區(qū)域包括大氣平流層（高度11 ～55km）的大部分區(qū)域，中間大氣層區(qū)域（高度55～85km）和少部分熱層區(qū)域（高度85～800km）。在此空間范圍內(nèi)，具備有不同于其他空間的顯著特點，比如說：空氣相對稀薄;大氣中雜質(zhì)少;環(huán)境溫度變化復(fù)雜;臭氧和太陽輻射強度大;在20～40km區(qū)域平均風(fēng)速最小。

臨近空間飛行器（near space vehicle 簡稱：NSV）是指可在臨近空間作長期持久飛行的大氣飛行器。這是一種全新的飛行器，相對于其他的衛(wèi)星和常規(guī)傳統(tǒng)飛機而言具備有以下優(yōu)勢：

與傳統(tǒng)飛機相比，臨近空間飛行器的優(yōu)點是：

（1）留空時間長。可持續(xù)工作飛行近空間飛行器的留空時間可以達到幾天到幾十天，目前正在研制的近空間平臺預(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。易于長期、不間斷地獲得情報和數(shù)據(jù)，及時地對緊急事件迅速做出響應(yīng)。

（2）覆蓋范圍廣。近空間飛行器的飛行高度比傳統(tǒng)飛機大，因此覆蓋范圍也比傳統(tǒng)飛機更寬廣。

（3）生存能力強。由于氣球或軟式飛艇以及一些低速無人機的主要部件采用非金屬材料制成，因此雷達反射截面很小，傳統(tǒng)的雷達難以c/跟蹤和發(fā)現(xiàn)。

（4）制造和運行維護費用低，。需要的保障人員少、后勤負擔(dān)輕。當(dāng)然，近空間飛行器也存在一些明顯的缺點，與傳統(tǒng)飛機相比，氣球或軟式飛艇充灌氦氣的時間較長，費用高，體積龐大，機動性差，存放時需要占用很大的機庫;在放飛、回收和通過平流層上升、下降過程中，容易受到風(fēng)和湍流的影響等不足。

與衛(wèi)星相比，臨近空間飛行器的優(yōu)點是：

（1）由于臨近空間飛行器運行高度低，一般只是低軌衛(wèi)星的十分之一到二十分之一的速度范圍，因此，容易實現(xiàn)高分辨率對地觀測，可有效彌補衛(wèi)星觀測局部盲點。

（2）對偵察、觀測設(shè)備要求低，采用一般的數(shù)字相機，就可能獲得與高精度衛(wèi)星質(zhì)量相當(dāng)?shù)恼掌?制造成本低，不需要復(fù)雜昂貴的發(fā)射設(shè)施，對地面支持設(shè)備要求也比較低，大部分部件和有效載荷可回收重復(fù)使用，因此效費比高。

（3）發(fā)射過程較為簡單，有效載荷技術(shù)難度小，易于更新和維護。其缺點是：視野小，觀察范圍有限，還要受到相關(guān)國家領(lǐng)空權(quán)的限制。

二、發(fā)展的歷程

由于臨近空間飛行器必須滿足在該空間范圍內(nèi)長時間進行停留對相關(guān)技術(shù)與設(shè)計要求非常嚴(yán)苛，因此，直到上個世紀(jì)后期才使得臨近空間飛行器的出現(xiàn)成為可能。在此，我們以美國臨近空間飛行器發(fā)展為例介紹其發(fā)展的大致經(jīng)過：

① 20世紀(jì)60年代以后，由于技術(shù)和安全等方面的原因，飛艇曾一度停止了發(fā)展。90年代以后，開始發(fā)展“哨兵”系列預(yù)警飛艇。1996年，美陸軍開始執(zhí)行“浮空器先進技術(shù)演示計劃”。1999年10月，研制STI反恐飛艇，該飛行器總長61m，自身容積達到7200m?。2003年初，美空軍施里弗基地和空間作戰(zhàn)實驗室開始實行“近空間機動飛艇計劃”，第一個試驗型飛艇稱為“攀登者”，并對其裝載的通信裝備和監(jiān)視器材進行測試。

②2004年，美軍公布的“軍事行動快速響應(yīng)空間”（operationally responsive space，簡稱ORS）和 “聯(lián)合作戰(zhàn)空間”（joint war fighting space，簡稱JWS）線路圖中包括了近空間發(fā)展計劃內(nèi)容，開始正式將臨近空間飛行器作為一項重點研發(fā)武器裝備項目。

③2005年5月，美國 Sanswire Networks 公司開發(fā)的一種稱為“平流層衛(wèi)星”的近空間飛艇，按計劃完成了原型機的演示驗證，該飛艇可作為維護國家安全或者完成其他軍事目的。2005 年 11 月在美軍資助下，該公司研制的高空哨兵飛艇成功進入臨近空間，滯空時間達5小時，成為繼“攀登者”飛艇之后成功進入臨近空間的第二艘飛行器。

④美國波音公司和諾斯羅普·格魯曼公司正在研發(fā)X-45和X-47B無人作戰(zhàn)飛機，其中X-45已在2005年8月進行了首飛并取得成功，而且該平臺將發(fā)展后繼型X-45C，該機長約12m，翼展15m，巡航時速0.8馬赫，飛行高度超過12000m，自身可以攜帶2100 kg武器。

⑤截至當(dāng)前，美國空軍正在試驗一架命名為X-37B的軌道試驗飛行器，該機于2010年4月22日在佛羅里達州試飛升空，總共的研發(fā)時間超過10年，其功能和任務(wù)均列為最高機密。截止到2019年8月，該飛行器在軌飛行時間達到了719天，創(chuàng)造出新的世界紀(jì)錄。目前有關(guān)此飛行器的相關(guān)目的與幾乎均高度保密，但這無疑是飛行器發(fā)展的一個重要里程碑。

三、發(fā)展趨勢

臨近空間飛行器是應(yīng)對未來戰(zhàn)爭、突破導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、能對敵方構(gòu)成現(xiàn)實威懾力量的重要武器系統(tǒng)，也是發(fā)展未來跨大氣層飛行和天地往返的重要方式，實現(xiàn)超高音速遠程交通，做到 “全球即時到達”的可能途徑，具有極其重要的軍事和民用價值。目前針對臨近空間飛行器的研究發(fā)展進程呈現(xiàn)出以下趨勢：

1）隱身化外形設(shè)計

雖然臨近空間飛行器處在高高空，但仍有可能被地面探測設(shè)備或偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，因此外形材質(zhì)的隱身化是對臨近空間飛行器的基本要求。采用隱身技術(shù)，不僅可以縮短敵方探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離，提高臨近空間飛行器的生存能力，而且能提高臨近空間飛行器的突防能力，達成作戰(zhàn)的突然性。因此，開發(fā)多頻譜和智能型的隱身材料，提高臨近空間飛行器的隱身性能是今后技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵。

2）持久化航程能力

與其他飛行器相比，臨近空間飛行器的一個獨特優(yōu)點就在于其執(zhí)行任務(wù)的連續(xù)性和持久性。為了保證臨近空間飛行器能夠長時間持續(xù)飛行，需要提高其推進系統(tǒng)的性能。目前，比較有前途的技術(shù)是將光電電池覆蓋在臨近空間飛行器的上表面，作為電力發(fā)動機和有效載荷的動力，并為夜間飛行蓄存電力。這種技術(shù)具有將臨近空間飛行器駐空時間提高到數(shù)周乃至數(shù)月的潛力。

3）多樣化功能模塊

臨近空間飛行器的任務(wù)設(shè)備主要有偵察載荷、通信載荷、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航載荷等。隨著任務(wù)載荷技術(shù)的不斷發(fā)展及滿足系統(tǒng)任務(wù)擴展的需求，集成化、綜合化的任務(wù)載荷已經(jīng)成為臨近空間飛行 器的發(fā)展方向。以美國為例，“全球鷹”無人機同時具有合成孔徑雷達（SAR）和光電/紅外（EO/IR）組件，而“最高飛行者”平流層氣球可選擇的有效載荷包括圖像、通信和情報收集等不同應(yīng)用目的的傳感器組件。

四、自主化控制方式

隨著信息和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，臨近空間飛行器的定點保持、壓力控制和航向控制等都將朝著自動化的方向發(fā)展。臨近空間裝備在長期定點過程中，由于風(fēng)力和風(fēng)速的變化，如何長時定點懸停并保持較高精度的自主控制，是一項亟待解決的課題若自主控制的問題得以解決，臨近空間飛行器在軍事上的廣泛應(yīng)用將指日可待。