首发 | 浮空器——空中巨无霸或将重展雄风并演绎新传奇

2022-08-24 15:47:54

来源:军事高科技在线

这些天,高空气球又抓住了人们的眼球,成为媒体热议的一个重要话题。而话题的源头,则是来自于俄罗斯卫星社华盛顿7月5日的一则报道。该报道援引华盛顿的预算方案条款及受访专家的话称,美军计划于2023财年将2700多万美元用于军用高空气球项目,主要目的是通过高空气球或将其纳入监视网,对俄罗斯等国的导弹武器——包括高超音速武器进行跟踪监视,增强对它们的拦截能力。

这表明,美军把目光又转向了浮空器,因为高空气球只是浮空器的一种类型。而对浮空器这个空中巨无霸,美军可以说是情有独钟并念念不忘,每当相应的技术有所发展或突破,总要对其加大投资进行研发,积极推进并扩展其应用,大有不达目的誓不罢休之势。

为此,我们趁机就来聊聊浮空器,看看这个“老江湖”能演绎出什么新传奇。

 

一、浮空器到底是什么

总体上说,浮空器是一种轻于空气、并依靠空气浮力升空的飞行器;浮空器上可以有人也可以无人,但随着通信、自动化、计算机和人工智能等技术的发展和应用,目前的趋势是无人化。浮空器通常可在空中的对流层或邻近空间的平流层下层内停留或飞行。一般认为,对流层为最接近地球表面的一层大气,从地球表面开始一直向高空伸展,上界离地面的高度范围大约在8~18千米(随纬度不同而有所变化);而平流层则是位于对流层之上的一层大气,离地球表面的高度范围大约是9~50千米。

浮空器一般可分为系留气球和飞艇两大类。系留气球是一种无推进装置的浮空器,主要由气囊、吊舱和缆绳等部分组成;其中,气囊多充填有安全性好的氦气来提供浮力,吊舱主要用于承载任务载荷,如传感器(雷达或光电探测、无线电侦察等装备)、通信和电子对抗设备等(甚至是武器装备),而缆绳与站点或地面设备相连接,在为气球收放和空中定点提供约束力的同时,还可用于任务载荷的数据传输并为其输送电能。飞艇是一种有推进装置的浮空器,可遥控飞行或自主控制飞行,主要由艇体、吊舱、尾翼和推进装置等部分组成;其中,艇体多充填氦气产生浮力,吊舱位于艇体下方为任务载荷提供搭载平台,尾翼置于艇体后部来保持稳定性和操纵性,推进装置则提供飞行时的前进动力——它主要包括发动机、减速器和螺旋桨等。

            

                                              载有机械雷达的浮空器

            

                                             载有相控阵雷达的浮空器

按照升空高度,浮空器通常又分对流层浮空器和平流层浮空器。其中,高度处于对流层的上界或平流层的下界和中界范围内的浮空器也称高空浮空器,对应的是高空气球和高空飞艇——不那么严谨地说也称平流层气球和平流层飞艇。

 

二、浮空器曾经的辉煌

谈起浮空器,人们可能立即会想起在体育场等大型集会场合上空游动的飞艇,而且还可能对上世纪初曾经名扬天下的德国“齐柏林”飞艇记忆犹新。那个时代,飞艇这种有动力的浮空器被誉为空中的巨无霸,在民用领域的应用非常活跃,几乎承担了当时大西洋两岸所有重要的商业飞行,创造出了一个又一个传奇。一战爆发后不久,德国又率先将飞艇投入战场,主要承担空中轰炸和侦察等任务。据统计,在整个大战期间,被德国视为终极武器的飞艇一共出动了208次/艘,对英国实施了51次空袭,与其飞机对英国的空袭次数基本持平。虽然飞艇的作战表现没有达到德国所希望的那样,最终也无法改变德国战败的命运,但却对英国构成了很大的威慑,有效牵制了英国防空兵力和战机的运用,并造成了英国较大的财产损失和人员伤亡。

一战后,由于飞机技术的迅速发展,飞机开始广泛地应用于各个领域,加之该阶段飞艇事故频发,特别是1937年发生的著名的“兴登堡空难”,使很多国家对浮空器的安全性忐忑不安,进而对其发展前景产生了极大怀疑,导致对其的研究和应用急速衰落。到了二战时期,以飞艇为代表的浮空器明显被边缘化了,其国防和军事应用主要限于防御侦察、海岸监视、军用物资运输等一些非作战行动,而且数量和程度都远不及一战时期,预示着浮空器的全盛或辉煌期已经逝去。

 

三、浮空器将重出江湖

时过境迁,随着航空航天、计算机、通信、网络、新能源、自动化、人工智能等技术的大力发展和新材料的不断涌现,在应用需求的牵引下,浮空器这种有着200多年历史的古老飞行器重又进入了人们的视野,大有重续往日辉煌之势。对此,可以从近年来的2个重要的时间节点来佐证。一个时间节点是在2015年1月7日前后,很多国内外重要媒体都相继报道,美陆军在马里兰州的阿伯丁试验场升起了“联合陆攻增强网络传感器”浮空器系统(JLENS)的首个系留高空气球,它搭载的雷达系统可探测巡航导弹和无人机等一类低空目标,探测范围可覆盖美国维吉尼亚、马里兰、宾夕法尼亚、纽约和新泽西等州的广阔空域。美陆军当时还表示,要在2015年2月以后,在美国本土部署JLENS系统。另一个时间节点就是前面提到的今年7月5日前后,美军在2023财政年度预算中,准备对系留球项目的研究花费2710万美元。这比过去2年美军在浮空器项目上的380万美元投资,整整多出了2330万美元(多出6倍多),表明了美军对其研究力度大大增强,而且美军还设定了更加宏伟和现实的应用目标——探测和跟踪当今威胁性极大的高超音速武器并将其纳入整个杀伤链。

             

                                     美军联合陆攻增强网络传感器浮空器

由此看来,美军不是今天才开始重视浮空器技术的。实际上,早在十多年前它就重启了对浮空器的研究,并在伊拉克和阿富汗战场上积极进行了针对性的试验性应用。此外,美国还与以色列、印度等国联合研制新型浮空器,不断拓展浮空器的国防和军事用途。与此同时,世界上其他一些发达国家也都不约而同地加大了对浮空器的开发力度,其中俄罗斯、德国、英国、法国、日本、韩国都研制了各具特色的新型浮空器,中国也在2014年11月的珠海航展期间推出了自己的先进浮空器,而且在今年5月还让“极目一号”浮空器成功飞天,展示了很强的研发能力。

           

                                                       英国天猫飞艇

中国最新的“极目一号”浮空器

总而言之,种种迹象表明,在20世纪初曾带给人们无限遐想的浮空器,或将焕发出新的生机重出江湖并大展雄风。

 

四、浮空器的主要优势

世界上很多国家近些年来竞相发展浮空器,除了科技推动和需求牵引外,重要的原因还在于浮空器相对飞机或卫星而言,有如下一些重要优点,可对飞机和卫星平台的功能进行较好的补充。

时间分辨率高。卫星离地面高度高,覆盖范围大,但它要沿固定轨道高速飞行,不能滞留在任务区域,覆盖是间断性的,所以时间分辨率较低,虽然可通过组网或编队飞行方式加以改善,但技术难度大、费用昂贵、周期很长。飞机覆盖地球的范围要小一些,可反复在任务区域上空飞行,但即便如此,它对任务区域的覆盖仍然难以达到连续性,时间分辨率也不高。而浮空器却不同,它可高于飞机飞行,覆盖范围远大于飞机,且组网协同更容易,最重要的是飞行速度可慢一些或长时间悬停/驻留在任务区域上空,所以能实现连续覆盖任务区域,有着很高的时间分辨率。

留空时间长。飞机从起飞到在空中飞行再到降落,无时无刻都在消耗着汽油燃料,且其留空时间不可能太长,即使是个头小、重量轻、节省燃料的无人机,留空时间也非常有限。但浮空器却不同,除本身消耗的燃料少或不消耗外,它的留/驻空时间一般只受故障、天气和例行维护等因素的限制,其任务载荷所需电能,要不通过缆线由地面或海面平台提供,要不由其自带的太阳能设施或其它的可再生能源提供。如此看来,浮空器一旦升空留空几个星期、几个月甚至更长时间并持续工作应当不在话下,能更好地对事件做出及时的响应。

载荷重量大。考虑到火箭的运载能力和卫星的寿命,卫星平台的容量通常都很小,不可能携载较大的传感器、通信等任务载荷,因此载荷重量小且类别和功能都十分有限。飞机虽然容量可比卫星大很多,但受发动机动力的限制仍然不能胜任大型载荷的承载,载荷重量同样不大,功能经常难以满足要求。但浮空器是靠空气静升力升空并能停留空中或非常平稳地飞行,气囊和艇体都可设计得很大,让吊舱完全能容纳重达几吨乃至几十吨重的大型任务载荷,所以不但载荷功能很强,而且类型也可以更多,容易实现多功能化。

任务效果好。浮空器的留空高度或飞行高度比卫星低得多,比飞机则可高可低,都是在空中的电离层以下留空或飞行,但任务载荷重量比两者都大,可携带功能更强和种类更多的载荷,定点悬浮在空中或以远低于飞机的速度安静平稳地飞行,所以综合来看,它用于探测和跟踪地面目标时除了同时有一定的隐蔽性外,稳定性、分辨率和识别能力都要远高于卫星和飞机。更重要的是,它能很好地适应地面快速移动目标、空中“低、慢、小”目标和隐身目标等的探测,长时间连续跟踪并监视目标,而且还能避免卫星通信和数据中继时电离层随机变化所带来的信号质量下降等问题。

生存能力强。浮空器基本为非金属骨架的软体结构,质量轻、坚固耐用、飞行平稳、噪声小,能从容规避各种天然屏障,且外层可选择防电磁探测的凯芙拉纤维或复合材料,不但韧性好、强度高,且雷达反射和红外辐射都很小,外部信号特征很低,隐身能力很强。此外,浮空器气囊和艇体由许多独立的小气袋组成,极富弹性、内外压差小,充填的氦气为安全性好的惰性气体(不自燃也不助燃),所以即使遭到攻击其气体泄漏速度也很慢,浮力损失较小,通常不会遭受到着火、爆炸或坠毁等灾难性后果,且一般有足够时间安全降落或返航。况且,浮空器大都部署在己方区域或可控制区域上空,对方往往鞭长莫及或很难突破己方严密的防守。

使用成本低。与飞机和卫星不同,浮空器升降都不需专门的机场、跑道和发射场,也不需昂贵的地面控制与导航装置和发射运载火箭,它自身或任务载荷出现故障或需要维护时可随时回收并在地面上进行,所需人员少、过程简单且经济性好,单位留空时间成本不高,全周期运维费用更低,而且浮空器的任务载荷没有空间真空辐射环境或空中高速、高动态工作那样苛刻的制作工艺和质量要求,制造成本自然无需太高,研发周期不需很长。有报道称,一只通信用系留气球成本就几万美元,而一艘长度50米的飞艇造价也不过60万美元,远低于动辄数亿美元、功能类似的大型飞机或卫星,甚至远低于美军的捕食者无人机。

部署能力强。卫星要沿固定轨道飞行,一旦发生战争等突发事件,就要求卫星飞临战场上空执行任务,可能不得不让卫星实施轨道机动或变轨,这不但大大降低卫星寿命,而且要花费较长时间。如果采用补网方式,卫星应急发射技术在速度和可靠性方面目前都难以满足要求。但浮空器不同,它只需开阔一些的场地即可垂直起降,过程比飞机还要简单,而且能先利用车辆或舰艇等平台快速机动到预定位置后迅速升空,再经简单调试即可就能投入工作,所以具备突出的反应速度、强的快速机动部署能力和灵活性,更容易满足作战的实时性和战场变化的需求。

 

五、浮空器的军事应用

正是由于浮空器拥有卫星或飞机所不具备的上述优点,才使它能更好地用于国防和军事领域,从而加强或弥补目前的天基、空基、地基、海基平台的任务能力不足,尤其是能对天基和空基平台进行低成本的有效补充。

首先是预警侦察。将搭载有雷达、光电探测、电子侦察等装备的浮空器部署在预定地点上空,可长期、大范围和持续地探测、跟踪弹道导弹以及巡航导弹和飞机等低空目标(甚至是当今威胁性很大的高超音速武器),监视水面舰艇和潜艇的活动,进行海岸或航母编队警戒与巡视以及边境巡逻与监控,实施战场侦察,进行攻击目标导引和指示。

其次是通信中继。拥有通信和中继任务载荷的浮空器,可作为空中通信和中继平台,建立起广泛的战场通信网络,完成视距外的战场通信,并为武器平台提供目标指示数据。

第三是空中作战。浮空器可作为空中武器系统平台,直接利用炸弹和导弹等武器对地面目标实施打击;它也用作空中航母,构建起承载和释放无人机的空中平台,通过与无人机协同完成相应的作战行动。

第四是电子对抗。浮空器可作为电子对抗平台,利用多种手段侦察敌方的电磁辐射源并获取相关参数,对敌方进行雷达、通信和导航干扰,迟滞或影响敌方的作战行动。

第五是运输投送。浮空器是很好的空中运输平台,能以很长距离和很大的运输量为部队运送食品、燃料和装备等物资;安全性更好的新型浮空器甚至还能担任兵力快速投送的任务。

最后是非战争军事行动。浮空器能部署在人口密集区或大型集会、核电站、水坝、军事基地等场所上空用于安保与反恐,也能部署在重要海域或港口上空进行护航、巡逻和打击海盗,还能用于边境缉毒和反走私以及抢险救灾等非战争军事任务。

 

六、浮空器的发展概况

随着特点和用途及价值不断被人们认识和了解,世界很多国家都积极对军用浮空器进行探索和开发,尤以美国和俄罗斯的研发力度为最大,成果也最为突出。

美国对浮空器的青睐由来已久,作为少数几个基本无间断发展和应用浮空器的高水平国家,近二十多年来它对军用浮空器的开发达到了一个新的高潮,其国防部和陆海空各军兵种都启动了各自的多个浮空器项目,高度从几百米的对流层到几万米的平流层、承重从几吨的轻型到几百吨的超大型、航程从几百千米的近程型到上万千米的远程型、留空时间从几天的短期型到数年的长期型,各种浮空器林林总总不下几十种。近年来,影响比较大的有前面曾提到的美军“联合陆攻增强网络传感器”浮空器,还有“布雷特580”飞艇、“海象”大型飞艇、“长航时多情报”飞艇、“哨兵-1000”超级飞艇、“攀登者”浮空器、“快速初始部署”浮空器、“天空之泪”高空浮空器、Winch小型浮空器和“平流层监视气球”(又称“长驻留平流层架构”)等,它们有的已经投入应用,有的还在推进或初具规模并正在积极向实战部署迈进,主要用于巡航导弹和低空飞机及高超音速武器的探测跟踪、弹道导弹的预警、战场联网与通信、高低空侦察、舰艇活动监视、编队护航、电子对抗、导航定位、地形勘测、装备物资运输等一系列军事行动。据报道,美国还在积极构建由卫星、地面雷达、预警机和浮空器等组成了空天地一体化的防空预警系统,并积极探索浮空器的新用途,比如将浮空器用于布雷、探雷与扫雷,心理战以及构建无人机空中航母(母机)等。

美国STS-111飞艇

           

                                                  美国布雷特580飞艇

               

                                                    美国海象大型飞艇

                        

                                                     美国攀登者浮空器

俄罗斯作为传统的浮空器研发大国,其在上世纪初曾创造过浮空器最快速度、最大升高、最长停留时间和最远航程等多项世界纪录。据统计,二战前国际航空联盟正式备案的24项浮空器世界纪录中,有17项都是由苏联/俄罗斯创造的。两次世界大战期间,俄罗斯也都是浮空器应用的主力军。在经历了浮空器的研发低潮和苏联解体的阵痛后,它很快又顺应了世界潮流,开始了新一轮的浮空器研发。目前,俄罗斯令人瞩目的浮空器是长度250米、飞行高度23千米、载荷重量22.5吨的“金雕”平流层飞艇,它带有先进太阳能电池,留空时间超过6个月之久,有效覆盖区域面积可达1百万平方千米——比英国和法国的面积总和大很多,可以说是“妥妥滴”处于世界领先水平,被主要用于预警侦察、海上舰艇监视、远距离通信和数据转发。此外,俄罗斯还开发了“美洲豹”系留气球、AU-30探测飞艇和DPD-5000预警飞艇等多种新型浮空器,而且像美国等浮空器强国一样,正在借助自己厚实的研究基础和先进的航空航天技术,致力于大型或超大型、高机动、长航时、多功能浮空器的研发,并积极拓展浮空器的应用领域。

               

                                            浮空器用于侦察监视示意图

                    

                              浮空器用于侦察监视并与无人机协同示意图

                           

                                                  俄罗斯美洲豹系留气球

                                    

                                                     俄罗斯AU-30飞艇

 

七、结束语

浮空器这一飞行器界的“大哥大”,在技术的推动和需求的牵引下,国防和军事价值及作战效能都大增,再次获得了人们的热捧,可能掀起一场新的飞行器革命——俄罗斯专家甚至预言在有些方面飞艇可能取代飞机,美英专家则推测邻近空间浮空器将成为新的战斗力增长点,同时,他们都不约而同地认为浮空器是除坦克、舰艇和飞机以外的第四类作战平台,因此以美国和俄罗斯为代表的世界军事强国都纷纷摩拳擦掌,在投入到浮空器新一轮开发热潮中的同时,积极探索和拓展浮空器新的军事应用——比如近来媒体报道所称的高超音速武器的探测与跟踪。可以预见,如果能进一步突破和解决更多的技术难题,比如填充气体和材料工艺以及气动布局、动力推进、起降操控、热/浮力控制、新能源与储能、电磁干扰等,浮空器这一空中巨无霸将会在未来战场重展雄风,扮演不可替代的重要角色,继续演绎出新的传奇。

  • 关键词:
  • 高空气球
  • 浮空器
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