沈海军 文 

    世界航空航天高科技的迅猛发展, 使得飞行器家族的成员越来越兴旺。2005年, 美国空军在内华达州空军基地秘密地进行了“施里弗-3”太空战模拟演习。期间, 一种近空间飞行器第一次作为情报、监视、侦察和通信平台出现在空中, 引起了国际社会各有关方面的关注。

    所谓近空间, 一般指距地20-100公里高度的空域, 处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间；而近空间飞行器是指能够飞行在近空间执行特定任务的飞行器。

    目前, 在近空间区域存在着两个空白：:第一个是能力上的, 即缺乏持续的通信和情报、监视、侦察效能; 第二个是军事作战武器在这一高度覆盖上的空白。使用近空间飞行器平台能够同时填补这两个空白, 可以为作战人员提供持续的通信和侦察效能, 而且更重要的是,由于高度高，空气稀薄，现在绝大多数的地对空导弹和战斗机无法达到近空间这一高度。显然，如果研制出一种能够在近空间空域活动的作战武器,就会掌握极大的战场主动权, 从而改变现有海陆空三军作战的模式, 将战争引入更高的空间。

近空间的概念

    整个地球大气层像是一座高大的而又独特的“楼房”，按其成分、温度、密度等物理性质在垂直方向上的变化，世界气象组织把这座“楼”分为五层，自下而上依次是：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。

    近空间（Near space）也被称作“近太空”、“临近空间”或者“亚轨道”。根据国际航空联合会( FAI) 的定义,近空间的范围确定在23-100公里高度。然而，目前大多数专家倾向于把近空间范围定义为20-100公里, 它基于多种考虑。把20公里作为近空间的最低界限, 主要是因为它必须在国际民航组织控制的空域18.3公里之上; 近空间的最高界限暂定为100公里, 主要依据FAI的定义, 并考虑了已有国际空域主权的协议和惯例。

    近空间和近地空间是两个不同的概念，在《中国大百科全书》和《中国军事百科全书》中，“近地空间”的定义为:地球静止卫星轨道高度(约3.58×10⁴公里)及其以下的空间,即“近地空间”是一个以地球为中心、半径约3.58×10⁴公里的球形空间。该球形空间的半径约为地球和月球之间距离的十分之一。

    事实上，近空间的概念没有严格的界定，一般指航空和航天之间的过渡区,大致包括大气平流层顶部区域、中间大气层区域和电离层底部区域。近空间其下面的空域(20公里以下)是传统航空器的主要运行空间,其上面的空域(100公里以上)是航天器的运行空间。

近空间飞行器定义

    《剑桥百科全书》中对于航空器和航天器的定义分别为：利用机翼或其他方法产生升力支持自身在地球大气层内飞行的一切运载工具称为“航空器”;在真空、失重、强辐射的太空环境中使用的各种飞行器称为航天器。《中国大百科全书》(航空航天卷)中对其的定性描述为:航空器指能在大气层内进行可控飞行的各种飞行器;航天器指在地球大气层以外的宇宙空间,基本上按照天体力学的规律运行的各类飞行器。

    与航空器和航天器有所不同，顾名思义，近空间飞行器是指能够飞行在近空间执行特殊任务的飞行器。美空军航天司令部司令兰斯·洛德上将在空军空间战研讨会上指出,携带有效载荷进入近空间领域运行的近空间飞行器（平台）应包括热气球、飞艇,以及其他“持久稳定、效费比高、生存力强和反应迅速”的系统。基于上述认识,近空间飞行器可定性描述为:能持久稳定运行于近空间执行特定任务的各种飞行器。

近空间飞行器的分类

    近空间飞行器根据任务用途可将其分为近空间信息平台和近空间运输平台；根据飞行方式和原理,又可分为平流层高空气球、平流层飞艇、太阳能平流层飞翼、平流层无人机、高超音速飞行器等。

(1) 平流层高空气球

    它是一种飞行在平流层高度(30公里-40公里)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气球、球伞分离装置、回收伞、绳缆和吊舱组成,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,它已经能飞行到48.7公里的高度,并带有680公斤的有效载荷。国内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40公里,该所最大可研制6×10⁵m³的气球,最大发放有效载荷重量可达1,500公斤。

(2) 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20-30公里),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。

(3)太阳能平流层飞翼

    它是一种利用太阳能作为能源动力并依靠空气动升力飞行的飞行器,其飞行高度可达到30公里,有效载荷能力大约100公斤。它采用单晶硅太阳能电池提供能源,带有储能电池,并以高效高空螺旋桨作为推进动力。它能够完成大多数情报侦察监视任务和无线电通信任务。目前,美国南加利福尼亚的空间环境公司已研制成功“太阳神”演示验证飞翼,由于“太阳神”遇到夜间能源供应等问题,目前难以实现长期滞空,技术还不成熟,可靠性不高。但是,随着高效能源储存技术的不断进步,太阳能平流层飞翼有望在将来实现数月或数年的长期滞空,具有十分诱人的应用前景。

(4) 平流层无人机

    平流层无人机是一种高性能的战略级大中型高空长航时无人机,其飞行高度可达20公里以上,飞行时间可达数天,用来执行军事侦察和攻击任务。平流层无人机采用高性能涡轮风扇发动机,飞行控制系统采用GPS全球定位系统和惯性导航系统,可自动完成从起飞到着陆的整个飞行过程, 可自主完成洲际飞行, 一天之内可以对约13.7×10⁴公里的区域进行侦察。它可同时携带光电、红外传感系统和合成孔径雷达,能不间断地对目标实施高清晰的侦察,且不容易受战术伪装的欺骗,能将侦察图像直接实时地传给地面站。在平流层无人机中,美国诺斯罗普-格鲁门公司的RQ-4A全球鹰无人机占有优势,并已经开始投入使用,该无人机可在21公里以上高度执行42小时任务,其有效载荷能力在1.8吨以上,美国海军计划用其来承担日益增加的信号情报任务,并进一步增强美国的广域海上监视早期作战能力。

(5) 高超声速飞行器

    高超声速飞行器一般是指飞行速度在5马赫以上,使用一种被称作“吸气式超燃冲压发动机”的动力装置的飞行器。该飞行器将按需要垂直或水平发射,巡航工作在近空间的中高层,采用碳氢燃料或氢燃料,预计能在2小时内到达全球任意地点,是一种新型空天运输飞行器,负责将有效载荷运送至全球各地,甚至近地轨道,或者进行空中监视,或者执行其它类型的作战支援任务,然后返回地面水平着陆,并可重复使用。

    由于高超声速飞行器具有极大的战略意义和应用价值,世界主要航空航天大国美国、俄罗斯、法国、日本、英国等都在开展相关工作,但由于其难度大,目前各国仍处于概念研究和可行性试验阶段。美国在该领域处于领先地位,NASA于2004年成功试飞了X-43A验证机,创造了9.8马赫的飞行速度,验证了超燃冲压发动机的可行性。我国也高度关注超高声速飞行器的发展研究工作。

近空间飞行器的军事应用前景

    最近,美军的一份报告中将“联合作战空间”定义为“近空间”与“空间”之和,进一步明确了近空间在联合作战中的地位。近空间飞行器的特点决定了其在情报收集、情报传输、快速反应等方面具有重要的军事应用价值。近空间飞行器将作为军用航空器和军用航天器的有效补充,成为未来联合作战中一支新的重要力量。

• 可用作通信中继平台

    近空间飞行器作为战场高空通信中继平台,其通信不受地形的限制,可实现超视距通信,对大容量、大范围的军事通信特别有意义。近空间飞行器定点高度在20公里之上,其通信的视距覆盖直径为1,000公里，比常规地面无线电系统传播范围大一个量级,面积为8 ×10⁵平方公里,可以有效地完成战区指挥、协同与机动通信。与卫星相比,其传输距离近,传输损耗比卫星低,可以实现小天线、低功率传输。国际电联已经规定47.9-48.2GHz为平流层平台工作频率,更高的频率更利于实现大容量信息传输。

    2005 年1月,美军通过在“战斗天星”高空气球上装载2个相连的PRC-148无线电台(用于地面部队战术通信的无线电装置) 成功进行了通信距离扩展试验,起转发器作用的气球飞行在20-30公里的高空,转播来自地面和空中电台的超视距广播信号。在12次的飞行试验中,美国空间作战实验室成功地把超视距电台通信范围从16公里扩展到600公里以上。

• 可用作侦察监视平台

    近空间飞行器具备全天候、全天时工作能力,能方便快速地在特定时间、特定空间部署小型低轨侦察监视有效载荷,扩大覆盖范围,并提高对特定作战区域的侦察监视能力。近空间飞行器装上侦察传感器(红外与光谱)、全波段监听器可对战场情况及时监测、侦听,也能够与预警飞机和侦察卫星构成三维一体的侦察体系,有效弥补预警机飞行高度(10公里左右)低、探测范围(400公里左右)小、存在移动探测的技术误差,以及侦察卫星系统综合费用高等不足,发挥情报搜集的整体优势,实现对目标区域的完全覆盖和全面监测。

    美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室正在开发的一次性使用式近空间飞艇“高空侦察飞行器”,可快速部署到约30公里高度的预定位置,利用所装载的传感器提供24/7(每天24小时、每周7天,即全天时) 覆盖,执行超视距通信中继或情报、监视和侦察任务。按设计,高空侦察飞行器能携带22.7-45.4公斤的传感器负载,持续工作2周甚至一个月,是保卫国土安全和满足军方侦察与通信需求的理想平台。该实验室期望能在近期制造出技术验证样艇并进行演示。另外,2002年美国开始启动“高空飞艇”计划,旨在开发能在20公里高空飞行的无人飞艇,以探测和监视向美国本土袭来的弹道导弹等。按照导弹防御局的设想,未来美国太平洋沿岸和大西洋沿岸将至少部署10艘这种飞艇,每艘飞艇均装有作用距离达1,200公里的监视雷达和其他传感器,能连续30天对来袭的弹道导弹、巡航导弹、飞机等提供预警。

• 可用作卫星有效载荷和空间武器的试验台

    卫星有效载荷试验通常借助于飞机、系留气球或者临时设立的高塔来进行,这种方式存在高度低、覆盖范围小、受大气影响大等缺陷,与空间环境相差甚远,无法达到理想试验效果。而近空间环境可提供平稳的飞行条件,近空间飞行器携带卫星有效载荷到达高于20公里高度,可以在更加接近于真实环境条件中进行试验。同样,随着空间武器的研究和发展的不断深入,近空间飞行器也将成为空间武器试验平台的最佳选择。

• 可用作装备兵力投送平台

    2003年的伊拉克战争期间,由于土耳其方面拒绝美军借道土伊边界从北部进攻伊拉克的要求,致使美军南北夹击伊军的计划未能实现。由此,装备与兵力的快速投送问题引起美军的高度重视。随着对近空间研究的升温,近空间飞行器有可能成为装备兵力投送的理想工具。

    美军正在研究的一种用于装备兵力投送的重型飞艇“海象”被赋予“空中运输舰”的美称,按照设想它能越洋跨洲飞行。它既结合了空运的快捷,又兼顾了海运的大载重量,能够在3-4天运送1,800名士兵或500多吨武器装备,到达世界上任何地点,行程超过11,000公里。2005年1月,美国国防预研局公布了“海象”发展计划的指标征询书,6 月授予“海象”发展计划第一阶段的合同,2008年将把一架“海象”技术验证飞艇送上高空。

• 可用作近空间武器作战平台

    随着高新技术的迅速发展,动能武器、定向能武器等一些新概念武器引起了世界各国的关注,空间武器逐渐走向台前,空间军事化趋势不可阻挡。可以预见,随着近空间飞行器研发的深入,“近空间武器”不久将面世,近空间军事化的局面也将出现。目前资料显示,美军方可能的应用有:在近空间飞行器上装载不同频段的干扰机,对敌方进行无线电干扰；加装激光发射装置,将地面发射的激光束反射到各种目标上。

• 可用作运载、发射及补给、维修平台

    巨型近空间飞行器可作为地面到轨道之间的运载器,将诸如宇宙飞船、人造卫星等航天器运抵预定高度并发射入轨；另外,巨型近空间飞行器在近空间犹如一个“近空间站”,也可作为近空间飞行器系统(设备) 的补给和维修平台。由许多飞艇构成、长约3.2公里的“黑暗天空站”就是美空军设计的一个永久性有人驾驶设备，设在30.5公里的高空中,用作宇宙飞船从地面到轨道间的高空中转站、第三方飞行设备补给站以及远距离操纵的无线电通信中继站。另一种是设计长约2公里的美军高空轨道飞艇“轨道攀登者”,它能停留在30-42公里的高空,也能在地面到轨道之间往返飞行。这种巨型飞艇有望在3-9天的时间内从地面飞抵轨道,从而创造出一种不用火箭就把人和货物运送至地球轨道上的新型安全运送方式。