淺析臨港空間飛行器的軍事價值

附近空間通常指的是距地面20.100公里的普通飛機空間和衛星軌道空間之間的空間，沒有明顯的物理或幾何標志。它大致包括:大部分大氣平流層、全部中間層和部分熱層區域。在這樣的空間區域,既可以避免目前絕大多數的地面攻擊,又可以提高軍事偵察和對地攻擊的精度,對于情報收集、偵察監視、通信保障以及對空對地作戰等,具有極大的發展潛力。長期以來由于沒有充分認識和挖掘臨近空間的軍事應用價值以及技術上的限制,從而缺少系統性、戰略性地開發利用。然而,目前由于軍事需求的牽引和技術進步的推動,臨近空間飛行器引起了世界各國的廣泛關注。2005年2月4日至11日,美國空軍“施里弗-3”軍事演習首次將臨近空間飛行器納入了作戰視野。1高速臨近空間航天器臨近空間飛行器是指主要在臨近空間區域內飛行并完成特定任務的飛行器。臨近空間飛行器可以有多種分類方式,目前常采用的分類方式如表1所示。低速臨近空間飛行器主要利用空氣的浮力和飛行器運動產生的升力,有平流層飛艇、高空氣球、高高空無人機等。這類飛行器一般無人駕駛、飛行速度慢(亞音速)、滯空時間長(續航力強)、信息獲取處理能力強,主要用于探測、偵察、情報收集、通信等。高速臨近空間飛行器主要采用高超音速下的高升阻比氣動外形、高超音速無動力滑翔或高超音速吸氣式推進技術,有高空偵察機、高超音速飛行器、亞軌道飛行器等。這類飛行器一般無人駕駛、飛行速度快(數倍音速)、升空時間短、攻擊能力強,可進行天地往返運輸,還可用于摧毀敵方空間系統、攔截彈道導彈和對地進行精確打擊等。2近自然空間航天器的發展目標近年來,臨近空間飛行器受到了美、俄、法、德、日等很多國家的廣泛關注,它們對于臨近空間飛行器的相關技術、功能、應用價值展開了積極的探討與研究,并制定了一系列的發展計劃。國內也已經開展了一些相關的研究,但目前主要處于方案論證與關鍵技術攻關階段。2.1低速連續空間飛機2.1.1平流層讓天氣動物探測自20世紀60年代開始,國外開始進行平流層飛艇的研究,但受到關鍵技術的制約,研究進展緩慢。進入20世紀90年代后,隨著非剛性結構材料、柔性太陽能薄膜電池、再生式燃料電池和電推進等技術的突破,平流層飛艇的研究開始了一個新的階段。目前,大多數研究還處于方案論證或試驗階段。美國JPAEROSPACE公司與空軍科羅拉多州施里弗基地空間戰實驗室和空間戰中心目前正在共同研制“攀登者”V形臨近空間機動飛行器(其可能僅為一概念設計,數據未經證實),實際上是一種高空飛艇,長53m,寬30m,飛艇內部充填氦氣,采用螺旋槳推進系統,能在30~50km的高空長時間飛行。自身攜帶的控制系統可以調節各艙室間的氦氣容量,以進行空中機動。“攀登者”軍用飛艇造價僅為50萬美元,是美國空軍重點建設的一個高空飛行器項目。2.1.2超長航時氣流由美國航空航天局(nationalaeronauticsandspaceadministration,NASA)與Raven工業公司研制的超長航時氣球,成本約50萬美元,用超壓氣囊作為動力,飛行高度約30~35km,續航時間700d,載荷重量90kg。目前正處于試驗階段。2.1.3全球最大飛行高度記錄的：heloshpa1美國NASADryden中心和AeroEnvironment公司聯合研制的太陽神Helios代表了目前高高空無人機的最高水平。Helios太陽能無人機的翼展75.3m,翼弦2.44m,翼厚0.29m,飛行時的總重量為929kg,其中載荷重329kg(包括壓艙帶、電子設備、備用能量系統等),空機重600kg。Helios有14個特別設計的螺旋推進器,分別由14個1.5kW無刷直流電機驅動。2001年8月13日,Helios原型機HP01進行了第二次試飛,達到了28.95km的高度,創造了不用火箭為動力的無人機的最高飛行高度記錄。目前,AeroEnvironment公司仍然繼續高高空無人機的研究,重點在燃料電池的應用。2.2高速域空間飛機2.2.1高速戰略照片氣動氣動并進行拍攝早在20世紀60年代,世界上就出現了在平流層飛行的偵察機,如U2高空偵察機和SR-71、D-21等超音速偵察機。D-21是在20世紀60年代,由美國洛克希德·馬丁公司臭鼬工作隊在研制SR-71的同時研制的。美方對該機極為保密,直至1994年才公開該型號。該機是一種一次性使用的戰略無人偵察機,用于對敵后方的各種軍事設施進行遠程、高速戰略攝影偵察。D-21的典型戰術是帶火箭助推器,由B-52吊掛起飛,投放后由火箭助推器加速至馬赫數3.28,沖壓發動機開始工作,此后在發動機作用下飛機保持等馬赫數爬升至24~25km。在24km以上,飛機以馬赫數3.4做長時間偵察飛行。偵察完成后返航至回收區,將特設艙用降落傘回收,飛機自毀。飛機偵察航線一般為弧形航線。2.2.2基本可行方案從20世紀50年代提出高超音速飛行概念以來,世界各國在超燃沖壓發動機和高超音速飛行器一體化設計有關技術方面進行了大量的研究。經過幾十年的努力,美、俄、法等國近年來相繼取得技術上的重大突破,并確立了基本可行的技術路線。2001年,NASA和美國國防部聯合提出了國家航空航天倡議,建議美國發展高超音速飛行器分3步走:①近期致力于攻擊關鍵目標的超音速/高超音速巡航導彈;②中期集中于發展能夠實現全球到達的高超音速轟炸機;③遠期瞄準可承擔得起和及時進入太空的重復使用的運載器。NASA的“高超音速飛行器試驗”(Hyper-X)計劃是在飛行環境下,演示驗證以雙模態超燃沖壓發動機及組合巡航發動機為動力的一體化試驗飛行器的總體性能,并為研制高超音速飛行器發展設計方法和試驗手段。Hyper-X計劃的啟動證明美國高超音速飛行器技術已開始從實驗室研究進入飛行試驗研究的新階段。2.2.3亞軌道航空器太空船在大氣監控的應用,主要考目前商業公司對亞軌道飛行器的開發非常積極,有多家公司開始了自己的亞軌道飛行器的開發,主要用于商業用途,但設計中都考慮了軍事使用的可能性。已獲得成功的亞軌道飛行器只有太空船一號,并獲得了X大獎。其用途是進行太空商業旅游開發,搭載游客。太空船一號需要使用助推飛行器“白騎士”送到高空,分離后靠自身的火箭發動機爬升,進入接近100km高空,然后返回。太空船一號在飛行的不同階段可以變換自身的氣動外形。3高空高速智慧旅游產品主要為小高能飛行總的來看,臨近空間飛行器的發展趨勢是長航時(數月)或高速度(高超音速)。對于飛艇,目前正在從關鍵技術攻關向高空試驗發展,解決試驗中出現的各種問題,如氦氣泄漏等。對于高空氣球,技術相對成熟,系留氣球和自由漂浮氣球正向實用化發展。但自由漂浮式高空氣球的軍事用途相對有限,因為它對天氣,尤其是風過于敏感。高高空無人機的主要發展趨勢為:應用再生式燃料電池;提高光電池效率,增大功率;增長翼展,增加發動機數量;增長飛行時間(大于6個月);增加有效載荷,使得具有更強的實用性。對于高超音速飛行器(馬赫數達到8~20的持續巡航飛行器),由于飛行中要遭遇很高的表面溫度、操縱和機動性困難、離子化的邊界層(這使傳感器的運行非常困難)以及強烈的紅外特征,所以開發難度極大。馬赫數小于8以下的小高超飛行器,以目前的技術發展水平來看,較為容易實現。因此,臨近空間高超音速飛行器近期的發展重點可放在較為穩妥、可行的小高超巡航飛行器上,這也符合高空高速平臺循序漸進發展、逐步擴展飛行包線的發展規律。對于火箭助推滑翔飛行器,X-15是一種研究性的試驗飛行器,太空船一號則是一種亞軌道飛行器,由于航程和覆蓋范圍有限,除了提供亞軌道飛行體驗外,缺乏現實的軍事應用價值。從發展趨勢來看,火箭助推滑翔飛行器較有價值的應用方向是遠程打擊。4附近空間飛機的應用前景4.1道平臺與綜合偵查監視與臨近空間飛行器相比,航空平臺的分辨率較高,但是其覆蓋范圍有限,不能長時間駐留,并且其生存能力較低;軌道平臺則更多地用于戰略層次的任務,分辨率和對特定地區的覆蓋率都不如臨近空間飛行器。航空平臺、臨近空間平臺和軌道平臺配合使用,可以實現平時和戰時任務區域的全方位、全時段的綜合偵察監視。作為偵察監視平臺,臨近空間飛行器不僅可用于戰場態勢感知,還可用于海洋監視、氣象監測、打擊效果評估、災情監測、空中預警和反導攔截等。4.2傳播損耗特性臨近空間飛行器作為通信平臺可以廣泛應用于軍事和民用通信。與衛星通信相比,其優勢是高容量、高頻率利用、傳播損耗特性好(比同步軌道衰減少65dB)、時延小、發射功率低,易于實現通信終端的小型化、移動化,建設周期短,管理、維護和升級容易,成本低;與地面無線通信相比,臨近空間通信平臺的覆蓋范圍大、發射功率低,建設周期短、易于升級,通信不受地形的限制,可以全天候連續工作。4.3有利于提高作戰效能臨近空間飛行器由于生產和使用成本低、活動區域廣、沒有人員危險等特點,有著其他空域電子對抗設備無法比擬的優越性。特別是,臨近空間飛行器可以在目標上空長期駐留,進行不間斷的電子對抗。臨近空間飛行器可以干擾敵方地面和海上的警戒、搜索引導、目標指示雷達,減少敵雷達發現目標和預警的時間,為我作戰飛機、導彈等提供長時間的電子支援干擾,從而提高這些作戰武器在作戰過程中的突防能力、作戰效能和生存概率。臨近空間飛行器還可以發射高強度的衛星導航干擾信號,從而降低了敵方的作戰效能;同時,臨近空間飛行器也可以發射增強的衛星導航信號,壓制敵方對我衛星導航信號的干擾。4.4可移動的地面發射器臨近空間飛行器作為新一代運輸工具,可以在高于現有防空能力的空域運輸部隊,做到強火力混編作戰單位的大范圍、高機動投送。美國已提出“海象”(walrus)計劃,研發1000t的洲際飛艇,期望它能承擔一個完整武裝旅的運輸,使之成為可移動的“戰斗堡壘”。巨型臨近空間飛行器也可作為地面到軌道之間的運載器,將諸如宇宙飛船、人造衛星等航天器運抵預定高度并發射入軌。另外,巨型臨近空間飛行器在臨近空間猶如一個“臨近空間站”,也可作為臨近空間飛行器系統(設備)的補給和維修平臺。4.5臨空間航天器的優勢目前,在航天航空、空間武器等先進技術領域開展演示驗證的一般方法是采用航天器搭載試驗。這種試驗可以真實模擬設備的實際工作環境,但也存在搭載機會難得、搭載費用高、搭載風險大、無法回收、演示試驗受到搭載航天器本身功能限制等問題。而采用臨近空間飛行器作為搭載平臺,則可以在一定程度上彌補天基搭載平臺的不足,其優勢主要體現在3個方面:①演示試驗范圍廣,費用低;②試驗設備可回收,風險小;③可以進行新技術的先期演示驗證。4.6危機助力的戰略威懾作用搭載一定的武器裝備后,低速臨近空間飛行器可以長時間在戰區上空巡航,一旦需要,可以從空中迅速對敵地面戰略目標實施打擊,這種居高臨下的突然性攻擊可極大地壓縮預警反應時間,提高突防能力,具有很強的戰略威懾作用。一旦威脅解除,還可以回收部署。高速臨近空間飛行器作為武器平臺時,具有機動速度快、覆蓋范圍大、高空作戰不受氣候條件限制等特點,可以使用常規彈藥、高能微波武器、高能激光武器等對敵方高價值目標進行快速、精確打擊,還可以遠程攔截敵方現役和未來可能部署的多種空天進攻平臺。5空天一體化和航天航空技術融合發展的必要性未來要贏得戰爭不僅要爭奪制海權、制空權,而且要爭奪制天權,在這種情況下,空天軍的建制就不可或缺。近2年俄軍明確提出要按照軍種活動的自然領域建立陸海空三軍,其中要建成“在空中-太空活動”的“新空軍”。美國在《2020空軍構想:全球警戒、全球到達和全球力量》中確定了未來美空軍發展的核心思想,即建設一支航空航天一體化的空軍部隊。目前,所謂空天一體化,一般是指空天力量的一體化,就是外層空間力量與低層空間力量相交聯,組成全維一體化力量,進行全維一體化作戰,這既是新軍事變革的一個重要特征,也是一個不可逆轉的趨勢。近年來幾場有代表性的局部戰爭表明,現代戰爭的勝利越來越離不開航空力量與航天力量的有效結合。強大的信息支援與多層次的作戰平臺相結合,必然能夠發揮出更佳的戰斗效能,空天一體化已經成為未來空中力量發展的必然趨勢。隨著臨近空間技術的發展與力量的形成,空天一體化將從質上發生新的變化,一定會產生“2+1>3”的一體化效益。臨近空間飛行器的發展不僅會對空天力量一體化產生巨大的影響,而且會極大地促進航天航空技術融合發展。航天航空技術都是以本專業特有技術為核心,吸納、融合相關前沿技術而成的綜合性高技術。它們有著共同的核心技術學科,如空氣動力學、噴氣推進、結構力學、自動控制等。有鑒于此,美俄等國正在積極發展空中衛星發射技術、超燃沖壓發動機等空天融合技術。同時,航天航空技術又有著各自不同的工作環境和使用要求。從目前的裝備來看,航空裝備在飛行速度、飛行距離等方面具有局限性;航天裝備則在快速進入空間、周轉時間和運輸成本等方面有明顯的不足,這些差異就是二者融合發展的前提,實現航天航空技術優勢互補,就成為航天航空技術融合發展的動力,也是臨近空間飛行器發展的現實需要。航天航空技術融合發展的結果,將是產生新型空天武器系統的基礎。備受青睞的空天飛機就是一個很好的例子,它是一種介于航天飛機和普通飛機之間的飛行器,它能夠以普通飛機的方式起飛,能在30~100km高的大氣層中作極超音速飛行,能夠直接加速進入低層軌道,完成航天航空任務后再返回大氣層,并能水平著陸。6