平流层无人飞艇的作战使命和关键技术.doc

第三届无人机大会征文
平流层无人飞艇的作战使命和关键技术
徐 舸 孙中林
海军信息战研究教育中心，南京 211800

摘 要 平流层无人飞艇可以执行预警探测、通信中继、导弹防御和电子对抗等作战使命，能最大程度地发挥武器系统的实时信息化能力，是信息化条件下理想的海上作战平台。平流层无人飞艇主要发展先进的艇身材料技术、再生燃料电池技术、雷达天线集成技术和超低能发射/接收模块。平流层无人飞艇发展前景看好。，但仍有许多技术难题等待解决。
关键词 平流层 无人飞艇 作战使命 关键技术

20世纪，飞艇被飞机取代的主要原因有两个：高昂的造价和过低的速度。进入21世纪，飞艇重获生机。美国国防部日前宣布，将花费数千万美元购买一种高空飞艇。这种充满氮气、靠太阳能在天空飞翔的无人驾驶浮空器其实是飞艇的“21世纪版”。美国军方希望这种出现于19世纪的军事装备在经过改良后，嵌入新技术，可以适应今天信息化战场的需要。
与其他的空中侦察设备相比，无人飞艇拥有巨大的空间和超长续航能力，而且它的成本低廉，开发周期短。而未来的平流层无人飞艇将是理想的海上侦察平台，能在一周时间内连续航行无需着陆。它可对目标区域进行全天候监视，可以装备无人机无法搭载的先进侦察与通信设备，其侦察能力将远远超过P-3C等海上巡逻机。超强的续航能力使它能够有效侦察大面积海域，尤其适合跟踪敌方潜艇的行踪。
1 平流层无人飞艇的作战使命
中低空运行的浮空器很容易被恶劣的天气或敌人的火力摧毁，大大限制了飞艇的使用范围。在高度19.8～100千米的“近太空”（平流层），即大致处于目前战斗机的静升限和空间轨道飞行器最低高度之间，无人飞艇是这一空间内长时间执行任务很有前景的一种选择，其高度处于绝大多数地面防空导弹杀伤区之外，且在执行情报搜集和通信中继任务时可有效地实现广域覆盖。其次，将无人飞艇送入平流层高度比发射卫星要快和便宜，能在危机发生时迅速地发射，并使其保持在目标地域上空，而低轨道卫星每天只能在某一时间段内处于目标地域上空。据美军的一份研究报告称，近五十颗小型侦察卫星组成的监控集群与一架平流层无人飞艇取得的作战效果相差无几。此外，平流层无人飞艇还在导弹防御和补充卫星通信等方面存在巨大应用潜力。美国国防部已决定集中研制一种能用于美国本土保护和导弹防御的大型自主无人飞艇，这种飞艇将持续数月甚至一年以上执行通信中继、监视、气象监控等任务。
无人飞艇由于其特有的优势能补充现有战场装备的空白，成为飞机和卫星无法替代的一类飞行器。尤其在一体化通信网络的支持下无人飞艇与其他作战平台联结在一起，能最大程度地发挥武器系统的实时信息化能力，并显著提高体系的抗摧毁能力和抗干扰能力。
1.1 预警探测
凭借较长的滞空时间和飞艇上安装的大型探测设备，其监视和预警能力将大大超过预警飞机。预警飞艇的优点就是飞得高看得远，一般的战斗机没有飞艇飞得高，防空导弹的射高也没有飞艇高，飞艇在他所在的范围内可对战机进行导航，给自导导弹输入攻击数据，或者给弹道导弹提供敌方的地理位置，还可以作为反导系统的一个中间环节。
预警飞艇能够弥补地面、空中、高空预警系统的不足，且价格便宜，是增强侦察预警能力的首选装备之一。为什么要选择平流层飞艇呢？因为它执行预警探测任务有其独特的优势。滞空时间长是其第一要素。从理论上来说，平流层飞艇只要结构和材料强度允许，它可以在高空停留几年甚至更长的时间。这是因为飞艇的有效载荷主要靠空气静升力作为其升空的生力源，飞艇的移动或巡航飞行则靠取之不尽的太阳能作为动力能源。此外，与这些能源配套的平流层飞艇的动力系统能源，还可利用再生能源的氢氧燃料电池作为辅助能源。而无人机和高空侦察机，无论是起飞着陆还是空中飞行过程，无时无刻不在消耗着大量的燃料，这也决定了它们在空中停留的时间不可能太长。
从长远来看，平流层预警飞艇不仅仅具备长时间预警的功能，还将必须具备攻击的能力，即实现发现的同时实现攻击的目的，而不需要引导截击机实现拦截。　
1.2 通信中继
平流层无人飞艇可以悬停在指定地域高空，为区域内作战部队提供中继通信服务。飞艇作为通信平台与其他天基、空基或地基中继系统相比均有显著优势。如与卫星相比，平流层无人飞艇效费比高、机动性好、易于更新和维护。美国2005年2月举行了“施里弗3”空间战模拟演习，演习的重点是演练在未来的战争中如何进行空间系统的防护，当美国空间系统的组织、程序和技术等薄弱环节遭到攻击从而使卫星失灵或其地面控制站受损时，使用快速反应的平流层无人飞艇可以迅速补充缺失的功能。
安装导航和定位系统的无人飞艇可以提供战区级的导航与定位服务。
1.3 导弹防御
平流层无人飞艇在导弹防御和防空方面的应用潜力受到各国军方的重视。隐身巡航导弹和飞机的出现为地面雷达预警增加了新的难度，它们通过采用低RCS外形技术、吸波材料技术等措施躲避地面雷达的追踪，但其隐身巡航导弹或飞机的低可探测性主要作用于前方、下方的防空雷达，在隐身兵器的上方设置多种防空传感器，隐形飞行器的散射能量就会在多种传感器上体现出来，为拦截提供了更多的时间。
天基传感器由于离地面太远，地表又经常被云层覆盖，不能有效地探测到低空或超低空飞行器的特征信号。飞机机载雷达虽能有效地探测到巡航导弹目标，但由于不能长时间工作，探测位置不固定，不能对巡航导弹进行持续有效的预警。平流层无人飞艇一般由轻型复合材料制成，具有良好的红外和雷达隐身能力，既可用于战区内重点目标的前沿防空，又可执行空中巡逻、通信联络等任务。采用无人飞艇已成为未来导弹防御和空防的一个重要发展趋势。
1.4 电子对抗
平流层无人飞艇能利用持久定点留空和平流层区域的优势承担电子对抗和干扰任务，或携带高分辨率的光电/红外成像、多光谱成像、雷达成像等监视侦察设备进行全天候不间断的实时监控。战时无人飞艇可为精确打击武器提供目标指引，战后进行打击效果的评估。
凭借巨大的运载能力，飞艇上可以安装大量武器系统，从而使其成为高效的空中打击平台。
2 平流层无人飞艇的关键技术
平流层无人飞艇主要发展先进的飞艇平台技术，包括先进的能源和推进系统技术；大功率低能耗的新概念雷达传感器系统；导弹防御的网络通信技术等。整体而言，目前平流层无人飞艇应大力发展以下4项关键技术：
2.1 先进艇身材料技术
低空气密度下先进飞艇艇身材料。平流层飞艇80%的升力来自于惰性气体的浮力，其他升力来自于空气动力学，其最大的挑战之一在于飞艇如何在100千米高空停留更长的时间，要知道在那样一个高度风力会很大。美军太空与导弹防御司令部负责长航时多源情报飞行器项目的罗伯特中校表示，从更为具体的数据来说，美军希望该飞艇能够承载2500磅的有效载荷，承受30节的风速并在高空停留21天以对侦察目标实施连续不间断监视。
平流层无人飞艇计划提供一种持久、广域海上监视的最佳平台。据估计无人飞艇的使用成本仅为每使用小时、每磅（0.454千克）2美元，比无人机系统的使用成本便宜一半，仅是太空基系统（例如卫星）的四分之一。目前无人飞艇计划主要发展无人飞艇在高空持久运行的平台技术、新概念能源和推进系统技术。由于在高空平流层飞行的飞艇周围气体非常稀薄，飞艇需要更大的体积维持升力，如何减轻高空飞艇外表的重量，包括飞艇蒙皮、电源系统及推进装置的重量受到特别关注，此外还需能抵御同温层恶劣使用环境条件下的高强度、轻质复合材料蒙布，并要研究其飞行区域稀薄气体的流场状态以研制出适应低密度和低雷诺数流场有效的螺旋桨推进器。
2.2 再生燃料电池技术
提供一种持久使用的电源和推进系统，为平流层无人飞艇计划开发轻质再生燃料电池技术，目标是验证一种提供数千瓦能量的闭环氢氧再生燃料电池，该再生式燃料电池按电化学原理产生增压氢气和氧气，无需机械压缩设备。如采用非晶硅和多晶体铜铟镓硒（CIGS）轻质高效的薄膜式太阳能电池技术。这种薄膜式太阳能电池是在一块柔性底层上涂敷光—电能量转换材料，然后利用激光束将材料划分为独立的电池。与当前最新的晶体硅多结刚性支撑太阳能电池阵相比新型薄膜式太阳能电池在效费比和产品体积方面都更有优势。该电源系统可能是太阳能电池加上高峰电力消耗时的燃油补充，并至少使飞艇的雷达、航电系统和通信系统运转超过1年。
2.3 雷达天线集成技术
在高空或超高空进行监视任务的无人飞艇需要开发一种能使超大型、轻重量的雷达天线集成到飞艇平台的技术，这面临诸多技术挑战。如研制超轻型天线、天线校准技术、电源系统、位置保持方法以及支持超大型天线的飞艇。因为用于监视和通信中继的平流层无人飞艇通常无法容纳所需尺寸的天线，也不能用一般的技术把这样的天线构件作为外挂载荷，这样飞艇壳体要开一个大孔，并且还需在结构上加强，增加额外的结构重量。
2006年美国马萨诸塞州的Radant技术公司开发完成了一种采用微机电技术的相控阵扫描天线，这种天线是由聚合物的介质和喷涂的高导电率的金属物组合而成。它能用于飞行高度为20422～21336米高的通信和监视平台上，同铱星（一种全球通信卫星）进行数据和语音通信。在此基础上，一种很具潜力的解决飞艇集成高性能雷达问题的设计方案被提出，即将有源相控阵天线贴合在巨大的飞艇壳体表面，作为飞艇蒙皮的一部分铺设在飞艇的壳体上。这样形成口径非常大的天线使低功率密度的雷达产生卓越的高灵敏度，从而能发现以前很难探测的缓慢运动目标。
2.4 超低能发射/接收模块
飞艇上将安装卫星通信接收器，另外还有两条数据链负责将拍摄的视频资料和传感器获取的其他信息传送给地面站。其中一条高速光纤数据链将作为飞艇向地面部队传送情报的主要渠道，而在对方未装备该数据传送系统的情况下，飞艇还有一条每秒45兆传送速度的无线数据链。无人飞艇上的传感器和通信设备等最好为统一的模块化设备，以方便互相联结和数据传送。同时，传感器必须满足国家静态图像、动态视频等文件的传输格式标准。
    随着科技的不断进步和作战需求的有力牵引，平流层无人飞艇的发展前景看好。在飞艇研制过程中，研究人员仍需解决许多难题。如艇体结构问题，飞艇的结构强度需要提高，其中包括骨架强度和整体抗弯能力；燃料泄漏问题，飞艇普遍使用惰性气体填充气囊，从而提供升力，但是长期飞行过程中难免会发生泄漏；紫外辐射问题，高空的紫外线辐射较强，容易造成飞艇材料的老化；飞行控制问题，在飞行时会遇到惯性问题和外壳弹性变形问题，必须选择合理的驱动方案和升降控制系统；能源管理问题，要延长飞艇的工作时间就需要更多的能源，所以，更轻巧的可再生能源非常重要，可以选择的方案有太阳能电池和燃料电池技术；自身防御问题，体积巨大的飞艇很容易被各种雷达系统发现，其较低的飞行机动能力也使它容易遭到战机和地面防空系统的导弹攻击。    

参考文献
①姜兰亭：《美军高空飞艇可能改变未来侦察和作战的模式》《中国国防报》2006年8月15日 第2版
②黄小波 崔忠林：《地理信息系统技术在无人驾驶飞艇中开发应用》《信息与电子工程》 2009年第4期
③明 远：《飞艇：今日的“空中航母”》《百科知识》2008年第17期
④王凤岭：《多用途军用飞艇将迎来发展繁荣期》《新民晚报》2009年08月20 日
⑤崔玺康：《美国军用无人飞艇的发展与应用》
⑥吕 君：《新世纪的飞艇》《航空知识》2003年第3期

作者简介
徐 舸（1956—），男，江苏盐城，教授，博士，研究方向信息作战理论与战法
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联系电话：[phone]
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