临近空间的应用

临近空间的应用
临近空间飞行器特点及分类
临近空间(Near space)，又称“近空间”、“近太空”、“近地空间”或“空天过渡区”等，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。

人们习惯于把航天器运行的空域范围称为航天空间，一般在距地面100km以上：航空器飞行的空域范围称为航空空间，一般在距地面20km以下。

因此，可简单地把“临近空间”理解为：现有飞机飞行的最高高度(约20km)和卫星运行轨道的最低高度(约100km)之间的空域，大致包括平流层(18～55km)、中间层(55～85km)和部分热层(85～800km)区域。

临近空间的环境有如下特点：在平流层，大气以水平运动为主，平均速度为10m/s，层内干燥，水汽、杂质很少，云雨现象少见，温度几乎不变，湿度接近于零，适合浮空器和采用吸气式动力的飞行器平稳飞行。

在这样的空间区域，既可以避免目前绝大多数的地面攻击，又可以提高军事侦察和对地攻击的精度，对于情报收集、侦察监视、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”飞行器具有许多特点和特长。

未来充当临近空间主角的将是气球、飞艇、高空无人机及高超声速飞行器等。

与卫星相比：一是效费比高。

气球、飞艇等临近空间平台以氦气作为上升动力，不需要复杂昂贵的地面发射设备，其研制成本、发射成本和使用成本均比卫星低得多。

廉价的浮空器每个耗资仅1000美元，带上过载战术或战役高端的临近空间平台耗资也不过百万美元，而再简单的卫星至少要耗资5000万美元。

二是机动性好。

“临近空间”飞行器既可以简单地随风飘浮，也可以机动或悬停，具有良好的可控性。

高超声速飞行器和亚轨道飞行器，在未来战争中可达到先发制人和远程快速全球打击的目的。

三是灵敏度和分辨率高，技术难度较低，易于更新和维护。

由于可接收到卫星接收不到的低功率传输信号，所以对地观测的分辨率通常比卫星高。

与飞机相比。

一是留空时间长，是航空器的几十倍甚至几百倍，一般可达到一年；二是生存能力强，世界上绝大多数的作战飞机和地空导弹都无法达到临近空间高度，难以对其构成威胁。

三是隐身性能好，气球或软式飞艇的囊体采用非金属材料，雷达散射截面小，且外形光滑，几乎没有雷达回波和红外特征信号，其可见光特征在天空背景中基本被淹没。

四是覆盖区域广，上可连接卫星，下可连接地面用户。

高超声速飞行器主要包括：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。

因此，“临近空间”飞行器将弥补飞机和人造卫星二者的不足，可以执行多种民用或军事任务，如用作气象预报和情报、监视、侦察(ISR)平台；也可以像GPS卫星一样对导弹、飞机进行导航；还可搭载一定的有效载荷，直接进行运输或执行作战任务。

可以预计，“临近空间”飞行器为新技术的开发和利用提供了广阔平台，是作战能力新的增长点，一旦其加入陆、海、空、天信息网络系统后，必将对各国安全提出新挑战。

各国的研究进展
１、平流层飞艇
平流层飞艇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，工作在近空问的低层f高度在20～30km)，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。

如图1所示，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，美国洛克希德一马丁公司与导弹防御局(MDA)已签订1.47亿美元的HAA平流层飞艇同,预计2009年研制成功其原型艇，并进行演示验证[4]。

美国空军正在开发“攀登者” (Ascende r)军用巨型飞艇，其设计飞行高度为30～50km，初期阶段研制工作已经结束。

其他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、S an—swire Networks公司、Raven工业公司、马来西亚国家浮空器技术中心等。

２、平流层高空气球
平流层高空气球是一种飞行在平流层高度(30～40km)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，其先进水平的代表为美国NASA研制的超压、长航时高空气球fULDB)，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。

３、太阳能平流层飞翼
太阳能平流层飞翼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30km．有效载荷能力大约100kg。

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。

目前国外的研究情况有：
一. Sunbeam I 太阳能飞机
Sunbeam I是美国杨伯翰大学的研究人员开发的小型遥控太阳能验证机，用于对小型太阳能飞机的相关技术进行研究。

该机采用飞翼布局。

机翼上表面铺设16块由美国Sun power公司提供的高效率、低重量的太阳电池，以串联方式向推进系统和控制设备供电，驱动方式为直驱。

该机的无动力滑翔和电池动力试飞已于2001年完成。

Sunbeam I翼展0.38m，机翼面积0.055m2，重量0.071kg，失速速度8m/s。

二. SoLong太阳能飞机
SoLong是美国AC推进公司开发的用于遥测遥感的民用太阳能无人机。

该机为上单翼“V”型尾布局，机体使用了大量碳纤维、凯芙拉等复合材料。

SoLong的能源系统由翼面的76块光电转换效率为 20%的Sun Power-A300单晶硅太阳电池和120节Sanyo18650锂电池构成。

锂电池用于储存白天富裕的能量，并于夜间释放，维持系统运行。

该机采用Kontronik Tango 45-06 三相无刷马达，4.2倍减速后驱动直径0.6m的折叠变矩螺旋桨。

为了提高从太阳电池获得的功率，机上带有AC推进公司开发的300W 峰值功率追踪器，重100g，效率98%。

自2004年7月，该机已进行了60多次试飞，总飞行时间达250小时，曾在48km/h的大风中安全飞行。

SoLong于2005年6月1日16：08起飞至6月3日16：24降落，连续飞行了48小时16分，是迄今为止留空时间最长的太阳能飞机。

AC推进公司称，该机可按用户要求缩放，以适应不同的应用范围。

该机翼展4.75m，机翼面积1.5m2，全机重12.8kg，锂电池重5.6kg，太阳电池输出功率225W，马达最大功率800W，最小平飞需用功率95W飞行速度43~80km/h，最大爬升率2.5ｍ/s，操纵半径8km。

三. 墨卡托（Mecrator）太阳能飞机
“墨卡托”是英国QinetiQ公司为比利时Flemish 技术研究所设计的高空长航时无人机。

该机计划采用正常布局，研制工作正在进行。

“墨卡托”的设计任务涵盖了自然灾害跟踪预报、通信中继、目标定位、环境科学监测、农作物遥测等。

墨卡托的能源系统由高效率的柔性太阳电池和锂电池组成，并集成于机体结构中，以降低全机重量。

按计划“墨卡托”飞机将在2006年的夏季进行首飞。

远期目标是在18km的高空作数月的飞行。

“墨卡托”翼展16m，全机重27ｋｇ，有效载荷2kg。

QinetiQ公司同时为英国国防部进行着另一个太阳能无人机“微风”3（Zephyr 3）的研制，“微风”3翼展12m ，重12kg，最大飞行高度40km。

英国国防部2005年2月曾在澳大利亚南部Woomera机场为“微风”3的测试作准备。

四. HELIPLA T太阳能飞机
HELIPLA T是意大利都灵工业大学设计的高空长航时太阳能无人机。

该项目由欧盟第5框架计划资助，目的是对高空长航时无人机通信平台的相关技术进行研究。

HELIPLAT设计任务是在17~20km高空巡航飞行，远期目标航时为九个月。

该机采用双尾撑布局，机体大量使用复合材料。

该机能源系统由高效单晶硅太阳电池和燃料电池组成，推进系统配置8台直流无刷电机，以提高系统可靠性。

研究人员已经制作了缩比的技术验证机用于设计方案的评估。

HELIPLAT翼展73m，机翼面积176m2，根梢比3，全机重816kg，有效载荷100kg，巡航速度每小时71km。

五. “太阳神”（Helios）太阳能飞机
太阳神是美国航境（Aerovironment）公司在美国家航空航天局（NASA）的环境研究飞机和传感技术（ERAST）项目资助下设计制造的第四代飞翼布局太阳能无人机。

前三种型号为“探路者”（Pathfinder）、“探路者”改进型（Pathfinder Pl us）、“百人队长”（Centurion）。

“太阳神”根据配置不同分为高空型和长航时型，分别用于高空飞行和长航时飞行的技术验证。

高空型“太阳神”HP01于2001年8月13日创造了29.5km的飞行高度记录，留空时间18小时零1分。

高空型太阳神HP01的能源系统由高效的双面单晶硅太阳电池和锂电池组成，推进系统由14台永磁直流无刷马达和两叶宽弦层流定矩高空螺旋桨组成，每台马达额定输出功率1.5kW，螺旋桨直径2m。

长航时型太阳神 HP03的储能设备更换为燃料电池，并且对机体做了局部的更改，马达减为10台。

在2003年6月26日对燃料电池的测试飞行中，“太阳神”HP03遭遇紊流，解体坠海。

但是航境公司并没有放弃在太阳能飞机方面的探索，他们在“探路者”改进型太阳能飞机上安装了紊流探测仪器，于2005年8月31日和9月14日在NASA代顿飞行研究中心分别进行了3小时和2小时15分的试飞，采集了柔性飞翼布局飞机对紊流的响应特性数据。

“太阳神”翼展75.3m，面积183.6m2，高空型重720kg，长航时型重1053kg。

航境公司的最终目标是制造出航时长达6个月之久的高空长航时太阳能无人机。

六. SOLA R IMPULSE太阳能飞机
瑞士探险家伯特兰·皮卡尔（Bertrand Piccard）在乘气球不停顿环球飞行成功后，萌发了驾驶太阳能飞机环球飞行的想法。

2003年末，在几家公司和欧洲航天局的支持下SOLAR IMPULSE 项目正式启动。

该项目的目标是设计、制造一个载人太阳能飞机，仅依靠太阳能起飞，爬升到12km高空巡航飞行，在每个大陆起降一次，用15天左右环球飞行。

SOLAR IMPULSE采用上单翼“T”尾布局，翼展80m，全机重2000kg。

为了降低全机重量，机翼将采用先进的复合材料制造，同时要求集成于机翼结构内部的锂电池能量密度要达到200Wh/kg以上。

为防止机翼变形和震动损坏太阳电池，该机将采用非常薄的柔性太阳电池。

该机概念设计于2005年末结束，计划于2008年首飞，2010年6月环球飞行。

受太阳电池光电转换效率和电池能量密度的限制，目前太阳能飞机不停顿环球飞行还不太现实。

４、平流层无人机
平流层无人机是一种高性能的战略级大型高空长航时无人机，其飞行高度可达20km以上，飞行时间可达数天，用于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1.37×l05 km2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，美国诺斯罗普一格鲁门公司的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21km以上高度执行42h 任务，其有效载荷能力在1800kg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倍音速(l700m/s)以上，使用吸气式超燃冲压发动机作为推进动力的飞行器。

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2h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，或进行空中监视，或执行其他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倍音速（3332m/s）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。

临近空间军事应用发展趋势
1、为防空反导提供预警平台
信息优势是夺取战争主动权的先决条件，对威胁能尽早发现、判断和及时准确预警，是赢取防空反导作战胜利的关键。

而能否先敌发现，主要取决于预警监视，因而预警监视体系是防空反导作战的重要信息力量。

在防空作战中，针对( 超) 低空突防目标、巡航导弹、隐身飞行器等三类典型威胁，临近空间中的预警探测器可以发挥其快速反应、持续时间长和区域覆盖好的特点，作为地基和空基探测器的重要补充，实现对重点作战区域内的低空、小型和隐身目标进行连续、实时的监视、探测，实现高精度预警。

在反导作战中，临近空间的预警探测器可以与导弹预警卫星配合使用，由导弹预警卫星进行全球范围TBM 的探测预警和预警资源的整体协调，临近空间预警探测器负责某一具体区域的实时预警。

另外，合适高度的临近空间飞行器还可以对近程弹道导弹进行全程预警，并对关机点、被动段弹道和落点进行及时精确的预报。

2、为网络中心战提供战场感
知平台和电子对抗平台战场态势感知是网络中心战中传感器网络的核心任务，临近空间信息系统能综合多个平台上搭载的各类遥感器，对侦察对象进行多维、多谱段的普察和详察。

其在网络中心战中的主要作用体现在如下两个方面:
1）利用临近空间信息系统的覆盖区域广、持续巡航工作、分辨率高等特点，通过长期定点巡航勘测，提供国土周边地区清晰连续的立体三维数字战场环境情报;
2) 利用临近空间探测器搭载平台较好的机动能力，随时调整检测位置，对区域战场情况进行持续凝视式侦察监视。

另外，临近空间飞行器生产和使用成本低、活动区域广、没有人员危险，并且可以在目标上空长期驻留，所以可用来进行不间断的电子对抗，干扰敌地面雷达、预警机等，减少敌雷达发现目标和预警的时间，为作战飞机、导弹等提供长时间的电子支援，从而提高武器的作战效能。

临近空间飞行器还可以发射高强度的卫星导航干扰信号，从而降低敌方的作战效能。

3、为空间武器提供搭载平台
临近空间飞行器作为武器平台时具有机动速度快、覆盖范围大，高空作战不受气候条件限制，可以长时间在战区上空巡航等特点。

搭载常规弹药、高能微波武器、高能激光武器等装备后，一旦需要可以从空中迅速对敌地面战略目标实施精确打击。

这种居高临下的突然性攻击可极大地压缩预警反应时间，提高突防能力，具有很强的战略威慑作用。

一旦威胁解除还可以回收部署的高速临近空间飞行器。

另外，根据作战需要，还可以远程拦截敌方现役和未来可能部署的多种空天作战平台。

4、为相关科研技术的演示验证提供平台
目前，在空间武器、航空航天等先进技术领域开展演示验证一般采用航天器搭载。

这种试验可以真实模拟设备实际工作的空天环境，但也存在机会少、费用高、风险大、无法回收、易受航天器本身功能限制等缺点。

而采用临近空间飞行器作为搭载平台，则可以在一定程度上弥补天基搭载平台的不足。

其优势主要体现在3 个方面: 演示试验范围广、费用低；试验设备可回收、风险小；可以进行新技术的先期演示验证。