近空间飞行器的特点及其应用前景_王彦广
飞行器控制技术的现状和趋势
飞行器控制技术的现状和趋势随着科技的不断进步，飞行器控制技术在民航产业中扮演着举足轻重的角色。
无论是商用飞行器还是军用飞行器，飞行器的安全、舒适度和效率都与控制技术直接相关。
因此，人们对飞行器控制技术的发展一直都非常关注。
本文将从飞行器控制技术的现状和趋势两个方面进行探讨，希望能对读者有所启发。
一、飞行器控制技术的现状1.自动飞行控制系统随着科技的不断发展，自动飞行控制系统已经普遍应用于商用飞机上。
这些系统可以利用先进的硬件、软件和传感器技术来控制航向、速度、高度和姿态等。
自动飞行控制系统大大提高了飞行员的工作效率和飞行安全性。
2.航向控制系统航向控制系统是商用飞机上最常用的控制系统之一，它可以帮助飞机控制正确的方向。
该系统主要使用惯性导航技术和卫星导航系统来测量航向角度，从而支持自适应航线跟踪，提高飞机的航线稳定性和精度。
3.自主飞行控制系统自主飞行控制系统是一种新兴技术，具有更高的自主性和灵活性。
该系统可以完全独立于人类操纵，在飞行器上安装一系列的摄像头、雷达和其他传感器等设备，实现自主飞行、精准导航和障碍物避免等功能。
将来，这种技术将在无人机等领域得到广泛应用。
二、飞行器控制技术的趋势1.智能飞行控制系统随着人工智能技术的日益成熟，智能飞行控制系统将成为一个新的方向。
这种系统利用机器学习算法，能够对复杂的机载系统、环境和飞行员的反应进行高效分析和决策。
例如，系统可以利用数据处理算法和故障预测技术对飞行器的各个参数进行实时分析，从而预测并解决可能出现的问题。
2.飞行器通信技术飞行器通信技术也将是未来航空产业的一个重要方向。
传统的通信方式主要依靠地面上的无线电和卫星数据传输系统。
但在未来，将会有更多的基于飞行器的通信技术出现，如飞机到地面、飞机到飞机、飞机到无人机等通信。
这将大大提高飞机在空中的安全性和效率。
3.高度自由度飞行控制技术高度自由度飞行控制技术将是未来飞行器控制技术的另一个突破口。
临近空间飞行器简析
标 。现 对 其 进 行 简要 论 述 。
关键词 ： 临近空 间； 临近空 间飞行 器； 学模型 数
临近空间是一个空中盲区， 它对现代战争有革命性的影响， 已经引 ３ 受力情况分析。由于飞艇属于飘浮体 ， ． １ 主要依靠浮力停留在空 起了广泛的关注， 将为航空航天发展打开一扇新的大门。临近空间平台 中， 目其体积庞大， 而 速度缓慢。因此 ， 飞艇的受力情况与普通的高速飞 能提供相当于甚至优于太空系统的效能 ，还能克服太空系统的某些缺 行器并不完全相同， 依据力学原理， 将飞艇所受的外力大致分为： 空气动 点。临近空间飞行器可承担雷达和光学成像任务， 能构成通信网点 ， 力 、 甚 重力、 浮力 、 发动机推力。下面对这些力逐一进行分析。 至可以从地基光源中继激光波束 ， 攻击远距离的各种 目标。 （） １空气动力。同飞行器类似 ， 飞艇表面的气动压力可归并为作用 虽然民用临近空间飞行器 已经开发出来 ，在商业上用于提供石油 于飞艇质心的—个合力矢量 和一个合力矩矢量 Ｍ 合力矢量按速度 和天然气信息 ， 但近太空在军事上还没有被有效利用 ， 特别是在临近空 坐标系轴分解为三个力， 平行于气流方向的阻力 ， 垂直于气流方 向的升 间高端。 研究表明， 从战场应用角度 ， 临近空间高端飞行器的发射、 位置 力 ， 和侧力。在飞艇计算时， 使用飞艇的参考面积， 它与囊体总容积的关 保持和电源供应都需要进行新概念 、 新技术研究。 系 为 ： ， 为飞艇 容积 。 由此得 到下 列关 系： ｓ ： 本文主要介绍了临近空间及临近空问飞行器的概念、 特点 、 分类 ， 阻力 Ｘ－ Ｑ Ｃ ． Ｓ。 一 对这一新的领域和概／ ，ｚ 步的阐释 ，简单分析 了目前临近空间平 ＠ ， － 初 侧力 Ｙ － Ｓ ｖ ￣ Ｑ Ｃ 台拥有的优势和存在的问题。并针对低速巡航状态下的高空飞艇这一 升力 Ｚ － Ｃ ￣ ＱＳ Ｌ 特殊的临近空间飞行器建立了数学模型 ，对其运动状态进行了简单分 （） ２重力与浮力。重力与浮力的方向始终垂直于地面。在艇身坐标 析， 同时， 在一定的假设条件下对其数学模型进行了简化和线性化。 系中， 由于艇身系的坐标原点选在浮心 ， 因此浮力产生的对原点的力矩 １临近空间和临近空间飞行器的概念 为零 ， 即： 临近空间宽泛的定义为 ２ ￣０ ｋ ０ １ ０ｍ之间的区域 ， 一般被称为“ 无人 １ １１ ｏ １ 到达区”对于多数固定翼飞机来说 ， ， 空气太稀薄 ， 一般航空发动机难以 Ｍ ＝Ｍ口 ０ Ｂｌ ｌ 【 ＝ｌ 支持。但该区域气流比较稳定 ， 空气流动相对较小， 是部署高空悬停气 【 ０ ＮＪ ｊ ｌ 球或飞艇的理想空域。临近空间飞行器是指工作于临近空间空域内的 重力 产生 的对原 的力 矩为 气球 、 飞艇以及滑翔机等飞行器 。它们通过携带不同类型的载荷 ， 具备 ｆ ｃ ｃ 一￣ ｏ １ １ １ ｙＧｏＯｏ７ ｚ ｃ ０ ￣ ｓ ｓ Ｇ ｓ 通信 、 、 、 遥测 情报 侦察和监视等各种军事用途。它具有费用成本较低 、 Ｍ ＝ × ＝ＭＧ ｚｓ ＧｏＯ０ Ｇ ｉ Ｇｉ 一 ｃｓｃ ｌ ｃ ＝ ｎ ｓ 覆盖范围广 、 持续时间长 、 分辨率和敏感度高以及生存能力强等特｜ 点。 ｌ Ｊ 【 Ｇ ｏＯ ｉ ＇ ￣ ｎ ｘ ｃｓ ｓ ３ Ｇｓ ０Ｊ ￣ ｎ ＋ｙ ｉ ２临近空间飞行器的分类 （） ３推力。 为了简化计算 ， 假设发动机只产生轴向向前的推力 ， 不产 临近空间飞行器有多种分类方法 ， 按照飞行控制技术， 临近空间飞 生力矩 ， 所以其力与力矩表达式为： Ｊ Ｊ ｌ Ｘ 『 Ｊ ｆ Ｊｉ ０ 行器可以分为 自由浮空器、 可操纵 自由浮空器和机动飞行器 ３ 种。 自由浮空器是最简单的临近空间平 台， 就是充满轻于空气的气球 ， ｌ Ｊ ０ Ｊ Ｍ ｌ ＝０ ＝ｌ ＝Ｍ Ｊｌ ｆ 它制造 、 发射简单 ， 成本低廉 ， 但没有机动和位置保持能力 ， 也不能 回 ） １） ０ １ Ｊ０ １ ｊ ３ 运动方程。根据对飞行器上所受的力和力矩， ． ２ 利用动量和动量 收。它们主要用于地平线视场的任务 ， 例如通信 、 目 移动 标探测和信号 侦听， 最大的缺点是 回收有效载荷困难 ， 一般使用降落伞或者短距离滑 矩定理建立飞行器的动力学方程。由于飞行器的重心与艇身坐标系原 即可把重心看成是一般运动的刚体上 的一点 ， ｜ ｉ 在艇身 亥 翔回收系统。美国空军空间作战实验室主要用于通信的“ 作战天空星” 点 ０不重合 ， 坐标系中的坐标为 ｃ （ 。ｚ）根据理论力学的速度合成定理可知 ，。 ｃ Ｙ， 。 ｘ 。 Ｃ 计划就属于这种 自由浮空器。 可操纵 自由浮空器具有空气动力学控制装置，利用不同海拔高度 相对于瞬『系（ 生 地心赤道坐标系 ） 的运动速度矢量 Ｖ ，即绝对速度 ） 。（ 可 ｖ ×。 Ｒ。这里 ：。 ｖ 是艇身坐标系原点相对于地心赤道坐标系 的风速差异来精确地控制平台的运动。 有一定的可操纵能力， 因此可以 写成 ： 的线速度， 。 即Ｃ 点的牵连速度； ｏ ｕ ｖ＋ 其中 ｊ、 有Ｖ： ｗ ， ｊ ｉｊ ＋ 分别表示 携带有效载荷飞回指定位置 ， 进行回收、 修复和再次飞行。 Ｙ 、 Ｚ 轴方向的单位矢量 ； 为艇身坐标 系相 ０ ０ Ｑ 机动飞行器一般带有动力控制装置 ， 能够发射 、 机动到指定的高度 沿艇身坐标系 ０Ｘ 、 有 － ｉ ， 七； 。 ＝ 。 位置并长时间驻留。 这种临近空间平台能进行位置保持， 其功能在卫星 对地心赤道坐标系转动的角速度， Ｄ ｐ ＋ｑ ＋ｒ Ｒ 为点 Ｃ 相对 有 代人基础模型 ， 经过 和飞机之间， 可以提供大 的覆盖区 ， 任务时间较长 ， 是最实用的的临近 于艇身坐标系原点的矢径 ， ： ＋ ＋ ｉ； 简化 、 、 计算 按艇身坐标 系分解得到其六 自由度非线性模型的运动学方 空间飞行器 ， 但目前尚需解决升空、 、 推进 材料、 电源和电子等许多新技 术问题。美国海军的“ 探路者” 飞行器 ， 陆军的 “ 高空飞艇”ＨＡ 都属 程为： ＝Ｐ ｔ （ ｏ￣ ｑｉ ， （ Ａ） ’ ＋ｇ ｒ ｓ ＋ ３ Ｏｃ ＇ ｓ １ ｎ
NASA高空气球的研究及其进展
２１ ０ ，０ ０
１５ ．００ １０ ．００ ５ ００ ０
５ ９ 美 国芝加哥大学 ２０ — ２ １ 南极麦 克默多站 ８Ｎ ０８ １—９ 本试 验携带 了粒子探测 器 ，目的是测量 到达地球 大气层外 围 ＇ 的超 能射线粒 子 携有效 载荷 ２７ ２ ｇ ２ ｋ 到达 ３ ． ｍ的漂浮高度 ， ６７ ｋ 历时 ３ｄ ５ 。 ０ １ｈ ５ ０ 美 国夏威夷 大学 ２ ０ — ２ ２ 南极麦 克默多站 本试验使用 了优化来 自南极 冰层 的脉 冲无线 电检测和定位 的 ９Ｎ ０８ １－ １ 宽频 无线 天线 ，目的是检测超高能射线 的中微子通量
飞行试验 的 目的是 ： 评估材料的性能 、 检验结构变化 的可行性及提高气球的整体性能 。图 ６ ］ ｔ ” 所示为气球
５１ ９ Ｎ的飞行 轨迹 。
图 ６ ５ １ 飞行 轨 迹 ９Ｎ
Ｆｇ６ ｌ ｈ ｊｃ ｒ ｆ ９ Ｎ ｉ． ｉ ｔ 阳 ｅ ｔ ｙｏ １ Ｆ ｇ ｔ ｏ ５
５１ ９Ｎ实 际的飞 行性 能与 飞行 预测非 常 吻合 ， 次飞行 各项 指标 都达 到甚 至超 过 了预期 的 目标 。这 次 飞 这
摘 要 高空气球是一种可以实现平流层 飞行的无动力浮空器。文章重点从 气球的结构、 蒙皮材料、 热 特性研究及试飞试验等方面介绍了 ＮＡ Ａ高空气球的研 究及其进展 ，为中国高空气球的研究发展提供参 Ｓ 考。
关键 词 结 构性 能 蒙皮材料 热特 性 试 飞 试验 高空气球
中图分 类号 ： ２３ Ｖ ７
８ ６
航 天 返 回 与 遥 感
２１ ０ ２年第 ３ ３卷
５ 高 空气球 ５ １ ． ２ ９ Ｎ试 飞试 验 由以上试 飞试 验 可 以看 出 ， 随着 Ｕ Ｄ Ｌ Ｂ技术 不断 地 发展 ， 验越 来越 成 功 。其 中 ２０ 试 ０ ８年 １ ２月 ２ ８日由 ＷＦ Ｆ在南 极 麦克 默多站 发射 的 ５ １ ９Ｎ测试 结果 非 常成功 。５ １ ９ Ｎ的有效 载荷 ６ ０ｇ飞行 高度 ３．７ｍ。这 次 ８ｋ ， ３８ｋ
临近空间与空间作战
临近空间与空间作战摘要：空间在国家安全中具有战略地位，但其开发难度大，临近空间兼具航空空间和外层空间的诸多优点，使其在未来空间作战中具有重要作用。
文章总结了空间作战的发展历程和现代高技术局部战争中空间军事力量的实际运用，探讨了临近空间的军事应用热点问题，分析了临近空间在空间作战中的作用及二者之间关系。
关键词：临近空间；空间作战中图分类号：E869Near space and the warfare of outer spaceFENG Kun-ju, W ANG Chun-yang( The Missile Institute AFEU. , sanyuan shanxi 713800, China)Abstract：Space is of strategic importance to national security, but it is difficult to exploit, while the near space holds both advantages of air space and outer space, so it will play an important role in space warfare. The passage summarizes the development history of outer-space warfare and outer-space military forces’ actual practice in high technique warfare, discusses hotspot of near space’s military appliance; analyzed its function in outer-space warfare and the relation ship between near space and outer-space warfare.Key words: Near space；The warfare of outer space1概述人类涉足太空以来，空间逐渐成为国家利益和安全的战略制高点，现在，“谁控制空间，谁就能控制地球”这一空间战略思想已成为世人的共识[1]。
临近空间的特点与未来防御措施
临近空间的特点与未来防御措施临近空间的特点及未来防御措施摘要本文简要介绍了临近空间的特点，及其在此基础上发展的临近空间飞行器与其他飞行器相比存在的优势，最后介绍了临近空间在未来防御中的作用。
着重分析了基于临近空间平台针对隐身飞机及其导弹等飞行器的防御措施。
随着临近空间高超声速飞行器的发展，对高超声速目标的防御也提出了挑战，然后根据临近空间高超声速目标对防御系统预警能力时间性、高速机动目标精确探测、拦截弹机动过载和高精度制导控制等要求，阐述了预警探测系统、指挥控制系统和拦截武器系统可采取的措施。
关键字：临近空间；临近空间防御系统；飞行器1.临近空间1.1临近空间简介临近空间是指距海平面20km(接近国际公认的上限管制空域)和100km(接近国际公认的下限空间)之间的区域。
人们习惯把航天器运行的空域范围称为航天空间，一般距地面100km以上；航空器飞行的空域范围称为航空空间，一般距地面20km以下。
因此，临近空间可理解为从航空空域向航天空域的过渡区域。
临近空间大致包括大气平流层的大部分区域、中间大气层区域和部分电离层区域。
临近空间空域一直以来未得到系统的开发和利用，直到最近几年，以美国为主的个航天大国对临近空间的关注开始升温，美国空军认为，临近空间飞行器必将在未来的军事行动中发挥重要作用。
1.2临近空间的特点在平流层内，大气以水平运动为主,基本上没有上下对流现象；层内干燥，水汽、杂质很少，云雨雷电现象少见，温度几乎不变，湿度接近于零。
当高度达到40km以上时，几乎没有臭氧，使大量紫外线穿过而未被吸收，紫外线强度极高；大气在紫外线作用下开始电离，形成大量正、负离子和自由电子，其含量约为大气层平均含量的30倍，在平流层中，宇宙射线通量高，高能粒子辐射强度大。
中间层高度大约为50~80km,层内大气已经非常稀薄，在80km 高度上，空气密度只有地面的五万分之一，层内大气总量大约只占地球大气总质量的1/3000.在这样的空间区域，既可以避免目前绝大多数的地面攻击，又可以提高军事侦查和对地攻击的精度，对情报收集、真差监视、通信保障以及对空对地作战等，具有极大的发展潜力。
临近空间飞行器特点及用途应用
一．临近空间飞行器基本概述及发展特点（一）、临近空间的概念临近空间是指介于普通航空飞行器最高飞行高度和天基卫星最低轨道高度之间的空域。
天基卫星的最低轨道约为200km，航空飞机的最大飞行高度约为20km，但从应用上讲，由于100km以下为临近空间飞行器的主要活动区域，故在国内一般定义临近空间为离地球表面约20-120km的空域，美军定义为20-100km 的空域。
过去所称的“近空间”、“亚轨道”、“空天过渡区”、“亚太空”、“超高空”或“高高空”等区域，都是指临近空间。
图表临近空间区域划分资料来源：产研智库（二）、临近空间飞行器综述所谓临近空间飞行器，顾名思义是指能够飞行在临近空间执行特定任务的一种飞行器，既能比卫星提供更多更精确的信息（相对于某一特定区域），并节省使用卫星的费用，又能比通常的航空器减少遭地面敌人攻击的机会。
临近空间飞行器能快速飞行在敌方战区上空而不易被敌方防空监视系统发现，从而为作战指挥官提供不间断的监视情报，以增强其对战场情况的了解能力。
部署这种高空飞行器，成本低、时间快，适合现代战争的需求。
图表临近空间飞行器的设计思想、特点与关键技术专业经济研究智库权威行业研究报告资料来源：产研智库（三）、临近空间飞行器发展优势民用领域以通信监测领域为例，与卫星相比，临近空间飞行器造价明显低于卫星，载荷能力超过卫星的2倍，延迟时间、衰减更小，且可以多次回收、重复利用。
图表临近空间飞行器与通信卫星的比较优势资料来源：产研智库除此之外，临近空间飞行器还具有一下优势：（一）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。
（二）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。
空天飞行器发展现状和未来展望
空天飞行器发展现状和未来展望空天飞行器指从地面零速度起飞，直至进入地球轨道（高度月为200千米，马赫数约25）的飞行器。
发展现状：1985~1994年美国实施了庞大的“国家航天飞机计划”。
在美国航天局（NASA)支持下实施；空天飞机研制计划（超X计划),推进系统采用新式的直排气动塞式发动机，由“飞马座”火箭发射升空。
目的是利用这些飞行器探索高马赫数的喷气发动机和超声速冲压喷气发动机的性能。
美国战略司令部已经制定了研制空天飞机的计划，按该计划，2025年将研制出一架真正意义的空天飞机，其飞行速度将将达到15马赫，携带多种武器，在2小时内打击10350英里距离上的目标，可于多种不同的目标进行作战，并进行目标重新确定，可重复使用。
早在上个世纪70年代，前苏联就开始了研制空天飞行器的工作，提出了可重复使用的空天运输系统构想。
按照此构想，系统采用具有很强的灵活性和多种功能的两级入轨方案，用于紧急救援、空间物资供给以及提供生态问题研究等。
目前，俄罗斯正在研制具有广泛发展前景的MAKS系统，它是可执行广泛太空任务的两用空天飞行器，既可完成军事任务，也可用其他目的。
日本由于经济实力雄厚，对空间领域是探索虽起步较晚，但也制定了空天飞行器的研究与发展计划。
所设想的是一种单级入轨、水平起飞和着陆，能重复使用的空天飞行器。
中国已启动研发第一代可重复使用运载器，它将是超越美国“航天飞机”水平的航天运输系统，但尚不能达到“空天飞机”的技术水准。
中国研发航天运输系统选择的技术道路和美国、俄罗斯等国家均不相同。
中国航天专家提出一种立足于新一代运载火箭主要技术的串联式两级入轨重复使用运载器方案。
该方案的主要特点是采用两级方案，降低了对发动机、材料、等技术的指标要求，从而可以立足于新一代运载火箭的成熟技术，技术基础较好。
目前，俄罗斯正在研制具有广泛发展前景的MAKS系统，它是可执行广泛太空任务的两用空天飞行器，既可完成军事任务，也可用其他目的。
临近空间低动态飞行平台军事应用分析- 洪华,石磊 ,马丽华,倪延辉
临近空间低动态飞行平台军事应用分析临近空间低动态飞行平台军事应用分析洪华，石磊，马丽华，倪延辉（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）摘要：临近空间飞行平台可有效弥补航天器和航空器在作战功能上的不足，健全武器装备体系，全面提升空天一体化作战能力。
本文结合以飞艇为代表的临近空间低动态飞行平台的研究现状，从武器装备体系和作战功能等角度分析了其军事应用前景，并探讨了临近空间低动态飞行平台发展中遇到的关键问题。
关键词：临近空间；飞行平台；飞艇；军事应用图分类号：V11Analysis on military applications of the low-speed near space platformHONG Hua，SHI Lei，MA Li-hua，NI Yan-hui(Institute of Telecommunication Engineering，Air Force Engineering University，Xi'an 710077，China) Abstract：It is well-known that the potential application fields of the near space platform contain supplying a gap in military of traditional astro-and aero-vehicles，perfecting the weapon architecture，as well as advancing roundly the capability of integrated war．Combining with development status of airship, potential military applications of the low-speed near space platform are analyzed from weapon system and battle function．Finally，several key technologies concerning the way ahead for near space platform development are discussed in this paper．Key words：Near space；Platform；A irship；Military application0 引言临近空间（Near Space），又称近空间、近太空、空天过渡区或临空间，是介于航空管制空域上限（海拔约20km）和航天空间下限（海拔约100km）之间的区域。
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近空间飞行器的特点及其应用前景王彦广 李健全 李 勇 姚 伟(中国空间技术研究院,北京 100081)摘 要 简要介绍了近空间、近空间飞行器、近空间飞行器系统的基本概念及其应用前景,可为有关的技术人员和领导参阅。
关键词 近空间 近空间飞行器 应用前景中图分类号:V272;V423.9 文献标识码:A 文章编号:1673-8748(2007)01-0050-08Characters and Application Prospectsof Near Space Flying VehiclesWANG Yanguang LI Jianquan LI Yong YAO Wei (China Academy of Space Technology ,Beijing 100081,China )A bstract :This paper deals with the concept of near -space and near -space flying vehicles and their ap -plication prospects .It is helpful for technical engineers and leaders w ho are interested in near -space andnear -space flying vehicles .Key words :near space ;near -space flying vehicles ;application prospects收稿日期:2006-12-07;修回日期:2006-12-12作者简介:王彦广(1961-),男,研究员,现任中国空间技术研究院总工程师,从事近空间领域和卫星应用研究与管理工作。
1 引言人类文明的发展史,从一个侧面,可以看成是一个不断扩大其活动领域的历史。
人类先是在陆地活动,2000多年前扩大到海洋。
20世纪初,人类飞离地面到了空中,20世纪50年代进入太空。
人类每进入一个新的领域,都标志着其社会知识和财富的积累及其科学技术水平的质的飞跃,都是世界性的大事。
近空间(Near Space )一般指距海平面20km ～100km 的空间区域,是当前人类活动很少涉及的空间领域。
随着现代科学技术的进步,近空间独特的资源优势已成为各国关注的热点,其中平流层(距海平面20km ～50km 的空间区域)是21世纪利用高技术开发利用的重点空间领域,具有重要的应用前景。
目前来看,开发近空间资源的关键是研制近空间飞行器。
本文简要介绍近空间、近空间飞行器的基本概念,分析其应用的前景,可供与此领域有关的读者参考。
2 近空间的基本概念2.1 大气层的物理划分在物理上,以大气热力结构随高度的分布为主要依据,可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层等5层,如图1所示。
对流层是接近海平面的一层大气,其厚度随着纬度与季节等因素而变化,低纬度地区平均为16km ～18km ,中纬度地区平均为10km ～12km ,高纬度地区平均为8km ～9km 。
质量大约占总大气质量的3/4。
此层中的风速与风向是经常变化的;空气的压强、密度、温度和湿度也经常变化,一般随着高度的增加而减少;风、雨、雷、电等气象现象发生在这一层里。
平流层是对流层顶端到海平面以上50km 处之间的大气层,其质量约占大气总质量的1/4。
在Vol .16 No .1 50 航 天 器 工 程SPAC EC RAF T ENG IN EE RIN G 第16卷 第1期2007年1月20km高度以内,气温不随高度变化,保持在216.65K;在20km～32km之间,气温则随高度上升。
平流层中几乎没有水汽凝结[1],没有雷雨等气象,也没有大气的上下对流,只有水平方向的流动,故称平流层。
在平流层中,冬季与夏季的环流是完全相反的纬向环流,冬季平流层盛行西风,夏季平流层盛行东风,纬向风存在全球范围的年振荡,在中、高纬度地区尤其明显。
在热带平流层低层,纬向风还存在极强的所谓“准两年振荡”现象。
另外,根据文献[1]可知,夏季平流层是很平静的,气流都是与纬度线平行的平直东风,在经向没有任何波动;冬季平流层不是一绕极环流,而是有扰动环流。
图2给出了利用高空气象火箭获取的南大西洋阿松森岛1966年全年的风场变化及大小,其中E表示东风, W表示西风,一条横线表示风速10m/s。
图1 大气层的物理划分及温度、压力等随高度变化的关系F ig.1 P hysical division ofatmosphere图2 南大西洋阿松森岛全年风场变化图[2]Fig.2 Wind field of Ascensio n I sland of South A tlantic Ocean 中间层的高度为平流层的顶端到海平面以上80km,其质量仅占大气总质量的1/3000。
热层最低51第1期 王彦广等:近空间飞行器的特点及其应用前景高度为海平面80km ,其顶层高度大致在400km ～700km 之间变化。
而热层顶以上的等温大气称为外层或散逸层[3]。
2.2 大气层的工程划分在工程上,从资源利用的角度,大气层从低到高分为航空层(20km 以下),近空间层(20km ～100km )和空间层(100km 以上)。
图3 大气层的工程划分Fig .3 Engineering division of atmosphere近空间高于一般飞机的飞行高度,又低于卫星的运行轨道,是迄今人类还未很好开发利用的空间。
虽然航空层和空间层已得到大规模的开发和利用,但是近空间直到近期才开始引起足够的关注。
近空间(Near Space )概念由美国人提出,国际航空联合会(In -ternational Aeronautical Federation )给出的近空间大致范围是23km ～100km ,具体范围依不同的纬度有所不同。
近空间横跨平流层、中间层和部分热层,由于近空间空气稀薄,大气密度仅为地面的百分之几至千分之几,空气动力效应和浮力都较小;另一方面,对于航天器而言,该空域大气密度过大,因此,近空间飞行器技术既是对“天”的挑战,也是对“空”的挑战,积极发展近空间飞行器具有重要的战略意义。
随着科学技术水平的不断进步,近空间平稳规律的风场、高太阳能利用效率、新的通信资源等均为发展近空间飞行器创造了有利条件,但是在近空间,臭氧、辐射等也给飞行器带来了腐蚀和损坏等问题。
3 近空间飞行器的基本概念近空间飞行器是指工作于近空间,并利用近空间独有的空间资源执行一定任务的一类飞行器。
根据飞行方式和原理,近空间飞行器分为几大类型,下面将详细阐述。
3.1 按飞行方式和原理分类根据飞行方式和原理分,近空间飞行器可分为轻于空气的飞行器(LT A )和重于空气的飞行器(HTA )。
前者主要包括:平流层飞艇、平流层高空气球、平流层半可控浮空器;后者主要包括太阳能平流层飞机、平流层无人机、高超音速飞行器(HCV )等。
3.1.1 轻于空气的近空间飞行器(浮空器)(1)平流层飞艇 它是一种轻于空气的飞行器,主要由艇囊、能源系统、推进系统、载荷舱、艇首和艇尾结构、控制系统等组成,工作在近空间的低层(高度在20km ～30km ),依靠静升力驻空,由太阳能为其提供能源动力,并带有推进系统,具有携带数吨重的有效载荷并实现定点,以及主动控制和机动的能力,它与平流层高空气球的最大区别在于具有推进和控制飞行状态的装置。
平流层飞艇能长时间定点驻空,时间长达数月或数年,非常适合作为新型信息平台,用来进行高分辨率对地观测、通信中继、区域预警、区域导航等。
2005年底,美国洛克希德-马丁公司与导弹防御局(MDA )已签订1.47亿美元的HAA 平流层飞艇合同,预计2009年研制成功其原型艇,并进行演示验证。
美国空军正在开发“攀登者“(Ascender )军用巨型飞艇,其设计飞行高度为30km ～50km ,初期阶段研制工作已经结束。
其它参与平流层飞艇研制的机构或公司还包括:ESA 、JAXA 、韩国航空宇航研究院、Lindastrand 公司、San -swire Netw orks 公司、Raven 工业公司、马来西亚国家浮空器技术中心等[5,6]。
图4 平流层飞艇示意图Fig .4 Sketch diagram of stratospheric airship (2)平流层高空气球 它是一种飞行在平流层高度(30km ～40km )的无动力飞行器,具有飞行高度高,成本低,准备周期短,易于灵活实施等其它飞行器所不具备的特点。
平流层高空气球飞行系统由52航 天 器 工 程 16卷气球、球伞分离装置、回收伞、结缆和吊舱组成,吊舱内除了装有有效载荷外,还装有遥测遥控设备、电源、压舱物等。
平流层高空气球目前主要采用排气阀和抛压舱物来调整气球的升速和高度,并综合利用平流层的风向变化来控制其航迹,但是该控制方法存在很大局限性,这导致平流层高空气球飞行时间较短(一般不超过数周),目前还无法实现定点控制,是一种短航时自由飞行的近空间飞行器。
而且,根据平流层高空气球的特点和任务需求,其发放地点、季节和飞行区域的选取都有比较严格的限制。
目前,国外开发平流层高空气球的研制单位较多,其先进水平代表为美国NASA研制的超压、长航时高空气球(ULDB),它已经能飞行到48.7km的高度,并带有680kg的有效载荷。
国内目前主要有中国科学院高能物理研究所等从事该方面的研制工作,其研制的4×105m3高空气球的飞行高度已达到40km,该所最大可研制6×105m3的气球,最大发放有效载荷重量1500kg,飞行高度为40km[7,8]。
图5 平流层高空气球Fig.5 Stratosphericballoon图6 平流层半可控浮空器示意图Fig.6 Semi-controlled stratospheric balloon (3)平流层半可控浮空器 它是一种飞行在平流层高度(30km～40km)的无动力飞行器,一方面,它在技术上继承了平流层高空气球的特点,另一方面,为了克服平流层高空气球在路径控制和高度控制上的局限性,它在控制系统上与平流层高空气球相比具有很大技术革新。
平流层半可控浮空器将主要由气球、长绳索、控制动力装置、有效载荷等组成。
其控制方法是在气球下面挂一条长15km的绳索,端头连有一个动力或气动力装置,该装置处于平流层低层,利用该处产生的推进力或气动力来提供一定的控制,从而操纵气球的轨迹,获得一定的机动能力。
目前,国外该类近空间飞行器还处于概念研究和探索试验阶段,参与开发的机构主要有美国NASA、Global Aerospace公司和Raven工业公司。