TCOM中小型系留气球发展及对我国启示.pdf

中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-122-科技工作RAID 系 统 以 TCOM 15M、TCOM 17M 和 TCOM 32M系留气球系统为平台，搭载光电侦察设备、雷达等升空，应用在阿富汗和伊拉克等地区，部署数量超过 60 套。JLENS 系统由两个 TCOM 71M 系留气球（后来专门研制 TCOM 74M 系留气球，替换其中一个 TCOM 71M 系留气球）组成，分别搭载可提供 360监视的雷达和精确跟踪照射（火控）雷达。该系统用来提供超视距巡航导弹的探测和跟踪，并给反导导弹发出指令。TARS 系统是由美国空军主导的球载雷达监视系统，以TCOM 71M 和洛克希德 马丁公司的 420K 系留气球为平台，搭载预警雷达升空，用于监测南部边境和加勒比海海域。PGSS 系统作为一种联合的能力和技术验证，用于提供一类成本低、小区域覆盖的系留气球监视系统。PGSS 系统以TCOM 22M、TCOM 28M和TIF-25K系留气球为平台，搭载光电侦察设备升空，部署在阿富汗、伊拉克等地区。MARTS 系统是一种船载系留气球通信中继系统，主要用于保持美国海军陆战队与指挥中心之间的通信联系，以TCOM 32M 海用系留气球为平台，搭载无线电设备升空工作，为海军陆战队的超高频/甚高频无线电、单信道地面/机载无线电、增强型定位和情报系统以及普通的模拟无线电提供通信中继。TCOM系留气球情况TCOM 公司的系留气球产品已呈现系列化发展，系留气球体积从 290m319 000m3，升空高度最大可达 4 600m，包 括 TCOM 12M、15M、17M、22M、28M、32M、38M、71M 和 74M 等系列，其中 M 代表系留气球长度，系留气球详细参数如表 1 所示。对 TCOM 12M、15M、22M、28M、38M 等中小型系留气球系统地进行详细介绍。TCOM 12M 系留气球TCOM 12M 系留气球系统，是一种基于可运输锚泊平台的低成本系留气球系统。可将 27kg 的任务载荷升空至海拔高度 300m，执行前线战术监视任务。TCOM 12M 系统配备有轻便、高度集成的光电载荷，具备低空监视能力。系统组成简单，可由3名操作人员在2h实现系统架设。系统正常工作时，囊体压力为 60mmH2O。如图 1 所示，TCOM 12M 系统的地面系留锚泊设备是一个便于运输的地面装置，通过牵引装置完成系留气球升空和回收，锚泊设备可根据风向完成顺桨；系留缆绳内部包含电源导线和 2 根数据光纤，光纤分别用于系留气球平台和载荷数据高国柱中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台研发中心高国柱（1991），安徽阜阳，工程师，主要从事浮空器系统设计。TCOM 中小型系留气球发展及对我国启示高国柱系留气球是一种不带动力、通过连接地面设施的缆绳驻留在空中预定位置的浮空器，一般包括气球球体、系留缆绳、有效载荷、锚泊设施、地面控制系统五部分。系留气球主要依靠浮力升空，其气球球体的气动外形具有良好的静稳定性，在空中能实现自稳定，始终保持头部迎风，具有较强的抗风能力。系留气球具有留空工作时间长、载荷适配能力强、平台通用性好、可机动部署、维护费用低、使用安全和生存能力强等优点，可搭载雷达、技术侦察、通信中继、光电侦察等任务载荷，被广泛应用于中低空的目标侦察、通信中继、低空预警、环境监测、科学测量等军民领域，成功用于执行边海防长时监测、战场阵地实时监测等军事任务以及重大活动的安保任务。美国、俄罗斯等国家均已广泛部署使用各类系留气球系统。美国的中小型系留气球由于其高机动性、快速部署以及成本低的特点，广泛应用于阿富汗、伊拉、美国和墨西哥等地区。美国系留气球典型应用情况美国系留气球生产商主要有 TCOM 公司和洛克希德 马丁公司，设计、生产了多种类型的系留气球预警、监视系统。从 21 世纪初至今，为了满足国土防卫和阿富汗、伊拉克等战场的应用，美国加大投入开展系留气球的研发和应用，主要提高系统的实用性、可靠性，气球外形以流线型为主，一些小型便携式系留气球也有采用圆球形状，一大批固定式、车载机动式等不同种类的系留气球系统相继投入使用。美国已有的系留气球系统主要包括：系留气球雷达系统（TARS系统）、国土导弹防御网络传感系统（JLENS系统）、系留气球快速布防系统（RAID 系统）、持续地面监视系统（PGSS 系统）、海军空中中继系统（MARTS 系统）。-123-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期科技工作传输；缆绳收放装置的主牵引绞盘的收放速度为 0.4m/s。系统包含锚泊系统和地面控制站两个独立的运输单元。设备可以通过一个 6m 标准集装箱进行运输，该系统运输方式包含公路运输、海运以及通过 C-130 运输机实现空运。表 1 TCOM 系留气球系统概述型号12M15M17M22M28M32M38M球体长度（m）12151722283238最大直径（m）5.26.26.2-10.010.2球体体积（m3）2903203408001 6001 7002 500最大载重（kg）276890181453275225结构重量（kg）113144143-658-缆绳长度（m）3054604571 000 1 5851 5001 500升空高度（m）300300305915-9001 500缆绳传输功率500W 1kVA 1kVA 2kVA 3kVA 10kVA 10kVA驻空时间（天）57714141414TCOM 15M 系留气球TCOM 15M 系留气球系统，以提升一个 68kg 的有效载荷到 304m 的海拔高度，缆绳设计长度为 457m。尾翼基本翼型采用 NACA 系列翼型，在内部设置 8 个隔板，以保持尾翼的外形和刚度。主气囊设计有观察窗，便于查看气球内部状态，确认氦气体积，同时该观察窗尺寸设计满足人员进入气球进行维修活动要求。球上的硬结构包括通气口、自动快速放气装置（ARDD）、气囊鼓风机和气囊阀门，以及任务载荷和机载电源和遥测单元（APTU）。为防止系留气球脱系，ARDD 安装在系留气球囊体表面的盒子内部，该装置实时检测系留气球内部氦气压力，当囊体内部氦气压力超过设定压力门限时，ARDD 接通电池，加热燃烧导线。当燃烧导线被 ARDD 加热到一定温度时，囊体材料局部受损，从而撕裂囊体释放氦气使，系留气球快速着陆。如图 2 所示，除了 ARDD、气囊阀门和鼓风机之外，在系留气球囊体折叠和包装时，其他结构件仍留在囊体上。这种设计意味着系留气球可以短时间、少人化实现充放气。囊体折叠打包时重量约 135kg，打包后可存放在编制袋内部，可由四个人搬运。TCOM 22M 系留气球TCOM 22M 系留气球，体积为 800m3，可由 C-17军用运输机实现空运。该系统可由 6 名操作人员在 6h 内完成架设，升空回收时仅需要 23 名操作人员。缆绳收放装置的主牵引绞盘收放速度为 0.50.9m/s。锚泊系统的总重量为 6.1t；系统可配置为直升机运输状态。锚泊系统可使用标准平板拖车或卡车拖拉机进行机动部署。系留缆绳内部含有 6 根光纤，用于传输有效平台和载荷数据，系留缆绳重量在 140210g/m 之间，直径约为13mm，断裂强度范围从 3 1006 200kg。TCOM 28M 系留气球TCOM 28M 系留气球集成情报、监视和侦察（ISR）有效载荷，执行括广域监视、侦察、通信和无线电中继等任务，实时向公共地面控制站提供数据，有效提高了作战效能。TCOM 28M 系留气球系统采用 6 个 6m 标准集装箱运输，可以通过 2 架 C-17 军用运输机或 1 架 C-5 军用运输机实现空中运输。该系统可以在不到 24h 的时间内由 6 名训练有素的操作人员，从公路运输状态达到使用状态。升空回收时需要 23 名操作人员。典型的飞行持续时间能力超过 7天，同时 7 天后仍可保持 15%的净升力。系留缆绳内部的 6 根光纤用于气球和地面控制站之间有效载荷数据的传输。系留缆绳重量为 220g/m，直径约为13mm，断裂强度大约为 6 350kg。在正常情况下，缆绳收放装置的主牵引绞盘的缆绳收放速度为 0.9m/s，可以在20min 内将气球载升空至 900m 高度。锚泊系统的总重量约为 10.5t，通过平板拖车或卡车拖拉机将锚泊系统运送到新的部署地点。如图 3 和图 4 所示，该锚泊系统具有了一个独特的功能，可将系留气球沿着航向部分或完全翻滚，可以不通过高空作业车实现系留气球维修和战斗损坏修理，降低维修人员暴露于敌人火力的可能性。TCOM 38M 系留气球TCOM 38M 系留气球在头部和垂翼分别装有 1 个竖直向上的防雷杆，如图 5 所示。空中雷电通过避雷索和系留缆绳的泄雷层向地面释放雷达。该系留气球在主气囊腹部设置有整流罩，整流罩内部安装挂架。整流罩为挂架上的电子设备和任务载荷提供有效的环境防护。该系统可以在 810h 内，由 8 名操作人员完成架设，载荷的有效功率为 5.5kV/400Hz，有效的任务载荷包含雷达、侦察、通信和光电等。系留缆绳内部的光纤用于在球上和地面控制站之间传输图 1 TCOM12M 系留气球图 2 TCOM15M 锚泊系统（收藏运输状态）中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-124-科技工作有效载荷数据和气球平台数据。系留缆绳的重量约为 300g/m，直径约为 16mm。在 正 常 情 况 下，主 牵 引 绞 盘 的 缆 绳 收 放 速 度 为0.50.9m/s，牵引绞盘采用液压形式。锚泊系统和牵引车的总重量为 27t，可通过 C-17 军用运输机或 C-5 军用运输机实现空中运输，或通过牵引车进行机动部署。我国中小型系留气球的军事需求低空超低空突防日益成为防空预警体系的重要挑战武装直升机、战斗机、轰炸机、无人机以及巡航导弹等，利用地面防空雷达低空探测盲区，采取低空、超低空隐蔽接近，实施突然攻击，威胁度极大。重点城市、军事基地、大型基础设施等要地是低空超低空目标的重要打击对象。沙特大型石油设施此前遭受低空无人机和巡航导弹的攻击，造成重大损失。俄罗斯由于缺乏“低慢小”目标预警探测能力，在俄乌战争中屡受打击。小型无人机等低空、慢速目标技术含量不高、成本低、制造和获取容易，但破坏大、效费比高，是新形势下不对称作战的理想手段，给要地防空等带来新的挑战。系留气球载系统是应对低空超低空威胁的有效手段借鉴美国采用的 PGSS 系统和 RAID 系统，我国中小型系留气球携带“雷达+光电”等综合探测系统，部署 1 套或者多套系统在要地周边，实现要地防护。通过搭载载荷升空至 3001 000m，实现长时间留空工作。系统效费比高，可以有效克服地球曲率的影响，大幅提升对低空超低空和地面目标的覆盖范围。其中，雷达探测距离远、搜索速度快，但由于系统资源限制，目标识别能力不强。光电/红外设备目标识别能力强，并且可以提供高精度的俯仰角度信息，但由于视场角小，空域搜索速度慢。雷达、光电/红外综合探测系统可实现两种传感器的优势互补，雷达引导光电设备进行探测，通过信息融合处理，可获得高精度的目标三维信息，有效区分空中和地面目标，并对“低慢小”目标进行精确分类和识别。同时，采用的系统若可搭载通信中继载荷，显著扩大地面通信范围，为低空超低空防御作战提供可靠高效的通信指挥能力。总结与国外相比，我国系留气球技术和应用研究起步相对较晚，但发展至今，技术已日趋成熟，已陆续研制和应用多型系留气球产品。针对我国迫切的军事和民用需求，通过 TCOM 公司系留气球发展和应用来看：1）我国系留气球需要尽快形成型谱化、系列化，满足多种使用需求，拓展应用领域，如发展船载系留气球系统、高原系留气球等。2）系留气球需向多领域综合应用方向发展，设计的系留气球平台需具备优异的载荷适配能力，实现多任务载荷集成挂载，同步工作。如发展系留气球综合信息系统，任务载荷涵盖雷达载荷、技术侦察载荷、光电侦察和通信中继等。3）对于系留气球架撤时间较长、使用人数较多等问题，需进一步提升自动化水平以及高机动能力，突破高机动转场、自动展开/撤收、一键式收放等关键技术，运输方式需考虑空运、海运等新型运输方式，满足应急作战中快速部署使用需求。4）采用多个系留气球之间组网，或系留气球与其他平台（如飞艇、无人机、卫星等）之间组网使用，进一步发挥系留气球以及载荷效能。图 3 系留气球正常系留图 4 系留气球翻滚维修状态图 5 TCOM38M 系留气球