临近空间飞行器

临近空间飞行器

一、临近空间飞行器的基本概念

临近空间(Near space) 通常是指距地表20～100千米处的空域，其下面的空域我们通常称为“天空”，是传统航空器的主要活动空间；其上面的空域就是我们平常说的“太空”，是航天器的运行空间。临近空间区域包括大气平流层（高度12-50千米）的大部分区域，中间大气层区域（高度50-80千米）和部分电离层区域（高度60-100千米）。

临近空间的显著特点包括：空气相对稀薄；环境压力低；环境温度变化复杂；臭氧和太阳辐射强；20-40千米区域平均风速最小。目前“临近空间”这个词只是一个学术概念，还没有公认的“官方定义”，对其的称呼也有很多种，如“近空间”、“亚轨道”或“空天过渡区”，美国也有人称之为“横断区”，而我国学术界过去则有“亚太空”、“超高空”、“高高空”等称呼。

临近空间飞行器是指高于普通飞行器飞行空间，而低于轨道飞行器运行空间区域的飞行器，主要包括能在近空间作长期、持续飞行的低动态飞行器，和具有高动态（马赫数大于1.0）的亚轨道飞行器或在临近空间飞行的高超声速巡航飞行器。

临近空间飞行器具有航空、航天飞行器所不具有的作用，特别是在通信保障、情报收集、电子压制、预警等方面极具发展潜力。

二、临近空间飞行器的特点

临近空间飞行器的应用前景十分广阔。在民用上可以进行高空大气研究、天气预报、环境及灾害监测、交通管制监测、电信和电视服务。在军事上可用于国界巡逻、侦察、通信中继、电子对抗等，在空间攻防和信息对抗中能发挥重要作用，进一步促进空天一体化的发展，

特殊的战略位置将为未来战争开辟了一个新的战场。其发展和应用将可能对未来整个作战体系和作战思维产生重大而深远的影响。

临近空间飞行器在应用上不同于一般的飞机和卫星，具有一些显著的特点，主要表现在以下几个方面：

（1）与传统飞机相比，临近空间飞行器持续工作时间长。传统飞机的留空时间以小时为单位，临近空间飞行器的留空时间则以天为单位，目前正在研制的临近空间平台预定留空时间长达6个月，规划中的后续平台预定留空时间可达1年以上，易于长期、不间断地获得情报和数据，可对紧急事件迅速做出响应，而且人员保障少、后勤负担轻。

（2）覆盖范围广。临近空间飞行器的飞行高度在传统飞机之上，其侦察覆盖范围比传统飞机要广得多。

（3）生存能力强。气球或软式飞艇的囊体采用非金属材料而且低速运行，雷达和热反射截面很小，传统的跟踪和瞄准办法不易发现。与传统飞机相比，气球或软式飞艇的缺点是：充灌氦气的时间较长，在充气时需要保持稳固，有时还需要占用机库；在放飞、通过平流层上升、下降、回收和放气的过程中，由于其庞大的体积，容易受到风和湍流的影响。

（4）飞行高度适中。临近空间飞行器由于飞行高度介于飞机和卫星之间，因此在对地观察分辨率、电子对抗效果等方面优于卫星，而在通信服务覆盖范围、侦察视场范围等方面优于飞机。

（5）部署速度快、机动能力强。卫星的发射准备周期长，约40天，机动变轨次数有限。而临近空间飞行器结构简单，可大量部署，准备时间往往不超过一天，实时性好，威胁作用大。（6）低速临近空间飞行器大量采用全复合材料，没有大尺寸高温部件，具有低可探测性，而且飞行速度较高，目前世界上尚缺乏有效对抗临近空间飞行器的武器。

（7）低速临近空间飞行器飞行高度高，视场大；高速临近空间飞行器不仅飞行高度高，而且速度快，突防能力强。因而临近空间飞行器在战场信息控制和快速精确打击等方面具有很强的威慑作用。可实现局部快速响应和持久部署。一些低速临近空间飞行器处于区域气流稳定，平均风速小，可实现红外凝视的监视侦察，在局部区域的时间分辨率方面，是飞机和卫星不可比拟的。

（8）载荷能力强，效费比高。临近空间飞行器可作为卫星廉价的替代品。用于中继通信和侦察。临近空间飞行器的制作和使用费用远低于现有的无人驾驶飞机和卫星。飞行平台的载荷能力大，飞行器可返回，可重复使用，载荷可维修，可更换。与卫星相比，临近空间飞行器具有效费比高、机动性好、有效载荷技术难度小、易于更新和维护。此种飞行器距目标的距离一般只是低轨卫星的1／10～1／20，可收到卫星不能监听到的低功率传输信号，容易实现

高分辨率对地观测；但其视野小，临近空间属各国领空范围，受领空限制。

三、临近空间飞行器的主要发展方案

目前，世界各国提出了多种临近空间飞行器发展方案，美国、俄罗斯、英国、韩国、英国、日本、以色列均有临近空间飞艇研究方案。其中比较典型的有美国导弹防御局的高空飞艇(HAA)项目、El本的平流层平台项目、韩国的平流层飞艇项目、美国空军天战实验室“攀登者”项目、美国侦察办公室的先进高空航空体(AHAB)项目等。

临近空间飞行器按照飞行速度大致可分为低动态飞行器（马赫数小于 1.0）和高动态飞行器（马赫数大于1.0）两大类型。

低动态临近空间飞行器主要包括：平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等，是目前研究的热点。它们具有悬空时间长、载荷能力大、飞行高度高、生存能力强等特点，能够携带可见光、红外、多光谱和超光谱、雷达等信息获取载荷；可作为区域信息获取手段，用于提升战场信息感知能力，支援作战行动；又可携带各种电子对抗载荷，实现战场电磁压制和电磁打击，破坏敌方信息系统；还可携带通信及其他能源中继载荷，用于野战应急通信、通信中继及能源中继服务。

?平流层飞艇，采用航空飞行器设计思想，具有较大的气囊，充满轻质气体（如氦气），可依靠空气浮力来平衡飞行器重力，一般靠太阳能提供动力，靠螺旋桨推力来克服阻力，可定点悬停，能低速水平飞行，机动性能较好。浮空气球，具有较大气囊，可充灌轻质气体，无推进动力装置，依靠空气浮力进入临近空间。其特点是制作简单、成本低，但易受风力影响，定点和机动性能差，因此其军事用途相对有限。

?高空气球，具有较大气囊，可充灌轻质气体，无推进动力装置，依靠空气浮力进入临近空间。其特点是制作简单、成本低，但易受风力影响，定点和机动性能差，因此其军事用途相对有限。

?高空长航时无人机，可采用太阳能、氢燃料电池等新型能源，依靠空气动力达到临近空间。其特点是：可快速机动，可替代低轨道侦察卫星，执行高空持久监视、情报搜集和通信中继等任务。

高动态临近空间飞行器主要包括：高超声速巡航飞行器、亚轨道飞行器等。它们具有航速快、航距远、机动能力高、生存能力强、可适载荷种类多等特点，具有远程快速到达、高速精确打击、可重复使用、远程快速投送等优点；既可携载核弹头，替代弹道导弹实施战略威慑，又可选择携载远程精确弹药，作为“杀手锏”手段，攻击高价值或敏感目标，还可携带信息传感器，作为战略快速侦察手段，对全球重要目标实施快速侦察。

?高超声速巡航飞行器，是一种可从常规军用跑道上起飞、可重复使用的无人高超声速巡航飞行器，又称高超声速轰炸机，其飞行高度可以遍及临近空间30千米以上的大部分空域，且飞行速度快，可用于全球快速打击。

?亚轨道飞行器，是指在高度上抵达临近空间顶层、但速度尚不足以完成绕地球轨道运转的飞行器，其速度一般在5~15马赫之间，任务完成后可返回地球，能够重复使用。

四、临近空间飞行器研发面临的困难

由于环境的恶劣和复杂性，临近空间的开发有很大的难度。主要障碍有：

1)空气稀薄。空气密度小导致飞行器处于低雷诺数气动环境下，使翼型的升力系数降低阻力系数增加，飞行器无法获得足够的升力而难以保持飞行。同时也大大降低了任务载荷。

2)距地面远，能源补给困难。飞行器爬升至临近空间内需消耗大量燃料，在气动效率较低的环境下又需要加大功率，因此难以达到长航时飞行。目前能达到临近空间的亚音速飞行器主要采用太阳能作为动力源，但现阶段太阳能电池的重量成为了临近空间飞行器设计的障碍。

3)常年风场。由于临近空间翼面的气动效率较低，需要较大的翼面来维持稳定力矩，而常年风场无疑对通常的低速定翼飞行器稳定飞行造成更大的困难。

4)温度较低，温差大。从2万米的零下56摄氏度变化到3万米的零度左右，对材料的温度稳定性提出了较高的要求。

5)太阳能电池效率较低，需要较大的翼面机以铺设更多的电池，增加了结构重量。另外太阳能定翼飞行器在夜间无光照时能源严重不足。

随着航空航天技术的飞速发展，临近空间特有的战略意义日益凸显，对临近空间的开发和应用正成为世界各航空航天大国关注的焦点。目前，美国、俄罗斯、欧洲、韩国、英国、日本、以色列等国家和地区都在投入大量经费开展临近空间飞行器的技术和应用研究。临近空间飞行器虽然还处在研究、论证和试验阶段，但由于其自身所具有的优势，使其具备了旺盛的生命力和良好的发展前景。军事专家们普遍认为，开发和利用临近空间必将成为作战能力新的增长点；特别是临近空间飞行器加入陆、海、空、天信息网络系统后，必将对各国安全提出新的挑战。