首發 | 浮空器——空中巨無霸或將重展雄風并演繹新傳奇

2022-08-24 15:47:54

來源:軍事高科技在線

這些天,高空氣球又抓住了人們的眼球,成為媒體熱議的一個重要話題。而話題的源頭,則是來自于俄羅斯衛星社華盛頓7月5日的一則報道。該報道援引華盛頓的預算方案條款及受訪專家的話稱,美軍計劃于2023財年將2700多萬美元用于軍用高空氣球項目,主要目的是通過高空氣球或將其納入監視網,對俄羅斯等國的導彈武器——包括高超音速武器進行跟蹤監視,增強對它們的攔截能力。

這表明,美軍把目光又轉向了浮空器,因為高空氣球只是浮空器的一種類型。而對浮空器這個空中巨無霸,美軍可以說是情有獨鐘并念念不忘,每當相應的技術有所發展或突破,總要對其加大投資進行研發,積極推進并擴展其應用,大有不達目的誓不罷休之勢。

為此,我們趁機就來聊聊浮空器,看看這個“老江湖”能演繹出什么新傳奇。

 

一、浮空器到底是什么

總體上說,浮空器是一種輕于空氣、并依靠空氣浮力升空的飛行器;浮空器上可以有人也可以無人,但隨著通信、自動化、計算機和人工智能等技術的發展和應用,目前的趨勢是無人化。浮空器通??稍诳罩械膶α鲗踊蜞徑臻g的平流層下層內停留或飛行。一般認為,對流層為最接近地球表面的一層大氣,從地球表面開始一直向高空伸展,上界離地面的高度范圍大約在8~18千米(隨緯度不同而有所變化);而平流層則是位于對流層之上的一層大氣,離地球表面的高度范圍大約是9~50千米。

浮空器一般可分為系留氣球和飛艇兩大類。系留氣球是一種無推進裝置的浮空器,主要由氣囊、吊艙和纜繩等部分組成;其中,氣囊多充填有安全性好的氦氣來提供浮力,吊艙主要用于承載任務載荷,如傳感器(雷達或光電探測、無線電偵察等裝備)、通信和電子對抗設備等(甚至是武器裝備),而纜繩與站點或地面設備相連接,在為氣球收放和空中定點提供約束力的同時,還可用于任務載荷的數據傳輸并為其輸送電能。飛艇是一種有推進裝置的浮空器,可遙控飛行或自主控制飛行,主要由艇體、吊艙、尾翼和推進裝置等部分組成;其中,艇體多充填氦氣產生浮力,吊艙位于艇體下方為任務載荷提供搭載平臺,尾翼置于艇體后部來保持穩定性和操縱性,推進裝置則提供飛行時的前進動力——它主要包括發動機、減速器和螺旋槳等。

            

                                              載有機械雷達的浮空器

            

                                             載有相控陣雷達的浮空器

按照升空高度,浮空器通常又分對流層浮空器和平流層浮空器。其中,高度處于對流層的上界或平流層的下界和中界范圍內的浮空器也稱高空浮空器,對應的是高空氣球和高空飛艇——不那么嚴謹地說也稱平流層氣球和平流層飛艇。

 

二、浮空器曾經的輝煌

談起浮空器,人們可能立即會想起在體育場等大型集會場合上空游動的飛艇,而且還可能對上世紀初曾經名揚天下的德國“齊柏林”飛艇記憶猶新。那個時代,飛艇這種有動力的浮空器被譽為空中的巨無霸,在民用領域的應用非?;钴S,幾乎承擔了當時大西洋兩岸所有重要的商業飛行,創造出了一個又一個傳奇。一戰爆發后不久,德國又率先將飛艇投入戰場,主要承擔空中轟炸和偵察等任務。據統計,在整個大戰期間,被德國視為終極武器的飛艇一共出動了208次/艘,對英國實施了51次空襲,與其飛機對英國的空襲次數基本持平。雖然飛艇的作戰表現沒有達到德國所希望的那樣,最終也無法改變德國戰敗的命運,但卻對英國構成了很大的威懾,有效牽制了英國防空兵力和戰機的運用,并造成了英國較大的財產損失和人員傷亡。

一戰后,由于飛機技術的迅速發展,飛機開始廣泛地應用于各個領域,加之該階段飛艇事故頻發,特別是1937年發生的著名的“興登堡空難”,使很多國家對浮空器的安全性忐忑不安,進而對其發展前景產生了極大懷疑,導致對其的研究和應用急速衰落。到了二戰時期,以飛艇為代表的浮空器明顯被邊緣化了,其國防和軍事應用主要限于防御偵察、海岸監視、軍用物資運輸等一些非作戰行動,而且數量和程度都遠不及一戰時期,預示著浮空器的全盛或輝煌期已經逝去。

 

三、浮空器將重出江湖

時過境遷,隨著航空航天、計算機、通信、網絡、新能源、自動化、人工智能等技術的大力發展和新材料的不斷涌現,在應用需求的牽引下,浮空器這種有著200多年歷史的古老飛行器重又進入了人們的視野,大有重續往日輝煌之勢。對此,可以從近年來的2個重要的時間節點來佐證。一個時間節點是在2015年1月7日前后,很多國內外重要媒體都相繼報道,美陸軍在馬里蘭州的阿伯丁試驗場升起了“聯合陸攻增強網絡傳感器”浮空器系統(JLENS)的首個系留高空氣球,它搭載的雷達系統可探測巡航導彈和無人機等一類低空目標,探測范圍可覆蓋美國維吉尼亞、馬里蘭、賓夕法尼亞、紐約和新澤西等州的廣闊空域。美陸軍當時還表示,要在2015年2月以后,在美國本土部署JLENS系統。另一個時間節點就是前面提到的今年7月5日前后,美軍在2023財政年度預算中,準備對系留球項目的研究花費2710萬美元。這比過去2年美軍在浮空器項目上的380萬美元投資,整整多出了2330萬美元(多出6倍多),表明了美軍對其研究力度大大增強,而且美軍還設定了更加宏偉和現實的應用目標——探測和跟蹤當今威脅性極大的高超音速武器并將其納入整個殺傷鏈。

             

                                     美軍聯合陸攻增強網絡傳感器浮空器

由此看來,美軍不是今天才開始重視浮空器技術的。實際上,早在十多年前它就重啟了對浮空器的研究,并在伊拉克和阿富汗戰場上積極進行了針對性的試驗性應用。此外,美國還與以色列、印度等國聯合研制新型浮空器,不斷拓展浮空器的國防和軍事用途。與此同時,世界上其他一些發達國家也都不約而同地加大了對浮空器的開發力度,其中俄羅斯、德國、英國、法國、日本、韓國都研制了各具特色的新型浮空器,中國也在2014年11月的珠海航展期間推出了自己的先進浮空器,而且在今年5月還讓“極目一號”浮空器成功飛天,展示了很強的研發能力。

           

                                                       英國天貓飛艇

中國最新的“極目一號”浮空器

總而言之,種種跡象表明,在20世紀初曾帶給人們無限遐想的浮空器,或將煥發出新的生機重出江湖并大展雄風。

 

四、浮空器的主要優勢

世界上很多國家近些年來競相發展浮空器,除了科技推動和需求牽引外,重要的原因還在于浮空器相對飛機或衛星而言,有如下一些重要優點,可對飛機和衛星平臺的功能進行較好的補充。

時間分辨率高。衛星離地面高度高,覆蓋范圍大,但它要沿固定軌道高速飛行,不能滯留在任務區域,覆蓋是間斷性的,所以時間分辨率較低,雖然可通過組網或編隊飛行方式加以改善,但技術難度大、費用昂貴、周期很長。飛機覆蓋地球的范圍要小一些,可反復在任務區域上空飛行,但即便如此,它對任務區域的覆蓋仍然難以達到連續性,時間分辨率也不高。而浮空器卻不同,它可高于飛機飛行,覆蓋范圍遠大于飛機,且組網協同更容易,最重要的是飛行速度可慢一些或長時間懸停/駐留在任務區域上空,所以能實現連續覆蓋任務區域,有著很高的時間分辨率。

留空時間長。飛機從起飛到在空中飛行再到降落,無時無刻都在消耗著汽油燃料,且其留空時間不可能太長,即使是個頭小、重量輕、節省燃料的無人機,留空時間也非常有限。但浮空器卻不同,除本身消耗的燃料少或不消耗外,它的留/駐空時間一般只受故障、天氣和例行維護等因素的限制,其任務載荷所需電能,要不通過纜線由地面或海面平臺提供,要不由其自帶的太陽能設施或其它的可再生能源提供。如此看來,浮空器一旦升空留空幾個星期、幾個月甚至更長時間并持續工作應當不在話下,能更好地對事件做出及時的響應。

載荷重量大??紤]到火箭的運載能力和衛星的壽命,衛星平臺的容量通常都很小,不可能攜載較大的傳感器、通信等任務載荷,因此載荷重量小且類別和功能都十分有限。飛機雖然容量可比衛星大很多,但受發動機動力的限制仍然不能勝任大型載荷的承載,載荷重量同樣不大,功能經常難以滿足要求。但浮空器是靠空氣靜升力升空并能停留空中或非常平穩地飛行,氣囊和艇體都可設計得很大,讓吊艙完全能容納重達幾噸乃至幾十噸重的大型任務載荷,所以不但載荷功能很強,而且類型也可以更多,容易實現多功能化。

任務效果好。浮空器的留空高度或飛行高度比衛星低得多,比飛機則可高可低,都是在空中的電離層以下留空或飛行,但任務載荷重量比兩者都大,可攜帶功能更強和種類更多的載荷,定點懸浮在空中或以遠低于飛機的速度安靜平穩地飛行,所以綜合來看,它用于探測和跟蹤地面目標時除了同時有一定的隱蔽性外,穩定性、分辨率和識別能力都要遠高于衛星和飛機。更重要的是,它能很好地適應地面快速移動目標、空中“低、慢、小”目標和隱身目標等的探測,長時間連續跟蹤并監視目標,而且還能避免衛星通信和數據中繼時電離層隨機變化所帶來的信號質量下降等問題。

生存能力強。浮空器基本為非金屬骨架的軟體結構,質量輕、堅固耐用、飛行平穩、噪聲小,能從容規避各種天然屏障,且外層可選擇防電磁探測的凱芙拉纖維或復合材料,不但韌性好、強度高,且雷達反射和紅外輻射都很小,外部信號特征很低,隱身能力很強。此外,浮空器氣囊和艇體由許多獨立的小氣袋組成,極富彈性、內外壓差小,充填的氦氣為安全性好的惰性氣體(不自燃也不助燃),所以即使遭到攻擊其氣體泄漏速度也很慢,浮力損失較小,通常不會遭受到著火、爆炸或墜毀等災難性后果,且一般有足夠時間安全降落或返航。況且,浮空器大都部署在己方區域或可控制區域上空,對方往往鞭長莫及或很難突破己方嚴密的防守。

使用成本低。與飛機和衛星不同,浮空器升降都不需專門的機場、跑道和發射場,也不需昂貴的地面控制與導航裝置和發射運載火箭,它自身或任務載荷出現故障或需要維護時可隨時回收并在地面上進行,所需人員少、過程簡單且經濟性好,單位留空時間成本不高,全周期運維費用更低,而且浮空器的任務載荷沒有空間真空輻射環境或空中高速、高動態工作那樣苛刻的制作工藝和質量要求,制造成本自然無需太高,研發周期不需很長。有報道稱,一只通信用系留氣球成本就幾萬美元,而一艘長度50米的飛艇造價也不過60萬美元,遠低于動輒數億美元、功能類似的大型飛機或衛星,甚至遠低于美軍的捕食者無人機。

部署能力強。衛星要沿固定軌道飛行,一旦發生戰爭等突發事件,就要求衛星飛臨戰場上空執行任務,可能不得不讓衛星實施軌道機動或變軌,這不但大大降低衛星壽命,而且要花費較長時間。如果采用補網方式,衛星應急發射技術在速度和可靠性方面目前都難以滿足要求。但浮空器不同,它只需開闊一些的場地即可垂直起降,過程比飛機還要簡單,而且能先利用車輛或艦艇等平臺快速機動到預定位置后迅速升空,再經簡單調試即可就能投入工作,所以具備突出的反應速度、強的快速機動部署能力和靈活性,更容易滿足作戰的實時性和戰場變化的需求。

 

五、浮空器的軍事應用

正是由于浮空器擁有衛星或飛機所不具備的上述優點,才使它能更好地用于國防和軍事領域,從而加強或彌補目前的天基、空基、地基、?;脚_的任務能力不足,尤其是能對天基和空基平臺進行低成本的有效補充。

首先是預警偵察。將搭載有雷達、光電探測、電子偵察等裝備的浮空器部署在預定地點上空,可長期、大范圍和持續地探測、跟蹤彈道導彈以及巡航導彈和飛機等低空目標(甚至是當今威脅性很大的高超音速武器),監視水面艦艇和潛艇的活動,進行海岸或航母編隊警戒與巡視以及邊境巡邏與監控,實施戰場偵察,進行攻擊目標導引和指示。

其次是通信中繼。擁有通信和中繼任務載荷的浮空器,可作為空中通信和中繼平臺,建立起廣泛的戰場通信網絡,完成視距外的戰場通信,并為武器平臺提供目標指示數據。

第三是空中作戰。浮空器可作為空中武器系統平臺,直接利用炸彈和導彈等武器對地面目標實施打擊;它也用作空中航母,構建起承載和釋放無人機的空中平臺,通過與無人機協同完成相應的作戰行動。

第四是電子對抗。浮空器可作為電子對抗平臺,利用多種手段偵察敵方的電磁輻射源并獲取相關參數,對敵方進行雷達、通信和導航干擾,遲滯或影響敵方的作戰行動。

第五是運輸投送。浮空器是很好的空中運輸平臺,能以很長距離和很大的運輸量為部隊運送食品、燃料和裝備等物資;安全性更好的新型浮空器甚至還能擔任兵力快速投送的任務。

最后是非戰爭軍事行動。浮空器能部署在人口密集區或大型集會、核電站、水壩、軍事基地等場所上空用于安保與反恐,也能部署在重要海域或港口上空進行護航、巡邏和打擊海盜,還能用于邊境緝毒和反走私以及搶險救災等非戰爭軍事任務。

 

六、浮空器的發展概況

隨著特點和用途及價值不斷被人們認識和了解,世界很多國家都積極對軍用浮空器進行探索和開發,尤以美國和俄羅斯的研發力度為最大,成果也最為突出。

美國對浮空器的青睞由來已久,作為少數幾個基本無間斷發展和應用浮空器的高水平國家,近二十多年來它對軍用浮空器的開發達到了一個新的高潮,其國防部和陸??崭鬈姳N都啟動了各自的多個浮空器項目,高度從幾百米的對流層到幾萬米的平流層、承重從幾噸的輕型到幾百噸的超大型、航程從幾百千米的近程型到上萬千米的遠程型、留空時間從幾天的短期型到數年的長期型,各種浮空器林林總總不下幾十種。近年來,影響比較大的有前面曾提到的美軍“聯合陸攻增強網絡傳感器”浮空器,還有“布雷特580”飛艇、“海象”大型飛艇、“長航時多情報”飛艇、“哨兵-1000”超級飛艇、“攀登者”浮空器、“快速初始部署”浮空器、“天空之淚”高空浮空器、Winch小型浮空器和“平流層監視氣球”(又稱“長駐留平流層架構”)等,它們有的已經投入應用,有的還在推進或初具規模并正在積極向實戰部署邁進,主要用于巡航導彈和低空飛機及高超音速武器的探測跟蹤、彈道導彈的預警、戰場聯網與通信、高低空偵察、艦艇活動監視、編隊護航、電子對抗、導航定位、地形勘測、裝備物資運輸等一系列軍事行動。據報道,美國還在積極構建由衛星、地面雷達、預警機和浮空器等組成了空天地一體化的防空預警系統,并積極探索浮空器的新用途,比如將浮空器用于布雷、探雷與掃雷,心理戰以及構建無人機空中航母(母機)等。

美國STS-111飛艇

           

                                                  美國布雷特580飛艇

               

                                                    美國海象大型飛艇

                        

                                                     美國攀登者浮空器

俄羅斯作為傳統的浮空器研發大國,其在上世紀初曾創造過浮空器最快速度、最大升高、最長停留時間和最遠航程等多項世界紀錄。據統計,二戰前國際航空聯盟正式備案的24項浮空器世界紀錄中,有17項都是由蘇聯/俄羅斯創造的。兩次世界大戰期間,俄羅斯也都是浮空器應用的主力軍。在經歷了浮空器的研發低潮和蘇聯解體的陣痛后,它很快又順應了世界潮流,開始了新一輪的浮空器研發。目前,俄羅斯令人矚目的浮空器是長度250米、飛行高度23千米、載荷重量22.5噸的“金雕”平流層飛艇,它帶有先進太陽能電池,留空時間超過6個月之久,有效覆蓋區域面積可達1百萬平方千米——比英國和法國的面積總和大很多,可以說是“妥妥滴”處于世界領先水平,被主要用于預警偵察、海上艦艇監視、遠距離通信和數據轉發。此外,俄羅斯還開發了“美洲豹”系留氣球、AU-30探測飛艇和DPD-5000預警飛艇等多種新型浮空器,而且像美國等浮空器強國一樣,正在借助自己厚實的研究基礎和先進的航空航天技術,致力于大型或超大型、高機動、長航時、多功能浮空器的研發,并積極拓展浮空器的應用領域。

               

                                            浮空器用于偵察監視示意圖

                    

                              浮空器用于偵察監視并與無人機協同示意圖

                           

                                                  俄羅斯美洲豹系留氣球

                                    

                                                     俄羅斯AU-30飛艇

 

七、結束語

浮空器這一飛行器界的“大哥大”,在技術的推動和需求的牽引下,國防和軍事價值及作戰效能都大增,再次獲得了人們的熱捧,可能掀起一場新的飛行器革命——俄羅斯專家甚至預言在有些方面飛艇可能取代飛機,美英專家則推測鄰近空間浮空器將成為新的戰斗力增長點,同時,他們都不約而同地認為浮空器是除坦克、艦艇和飛機以外的第四類作戰平臺,因此以美國和俄羅斯為代表的世界軍事強國都紛紛摩拳擦掌,在投入到浮空器新一輪開發熱潮中的同時,積極探索和拓展浮空器新的軍事應用——比如近來媒體報道所稱的高超音速武器的探測與跟蹤??梢灶A見,如果能進一步突破和解決更多的技術難題,比如填充氣體和材料工藝以及氣動布局、動力推進、起降操控、熱/浮力控制、新能源與儲能、電磁干擾等,浮空器這一空中巨無霸將會在未來戰場重展雄風,扮演不可替代的重要角色,繼續演繹出新的傳奇。

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