空天一體的超臨界空間

空天一體的超臨界空間

21世紀(jì)是一個(gè)信息和空虛的時(shí)代?？仗祛I(lǐng)域和信息領(lǐng)域已成為國(guó)際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的兩個(gè)新的制高點(diǎn)。面向21世紀(jì),各大國(guó)相繼確立了“空天一體、攻防兼?zhèn)洹钡目哲姂?zhàn)略,致力于把空軍建設(shè)成為一支能夠應(yīng)對(duì)多種安全威脅、完成多樣化軍事任務(wù)的戰(zhàn)略力量?？仗煲惑w作為主要國(guó)家空中力量發(fā)展的總體目標(biāo),強(qiáng)調(diào)空天力量與作戰(zhàn)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)航空與航天一體、防空與防天一體。“空”和“天”本無縫隙,但對(duì)于軍事活動(dòng)而言,它們之間事實(shí)上存在一個(gè)不容忽視的空域:臨近空間。一、航空空間的重要作用所謂臨近空間,是指距地面20~100千米的空域。20千米以下的空域是傳統(tǒng)航空器的主要活動(dòng)空間,而100千米以上的空域則是衛(wèi)星等航天器的運(yùn)行空間?！芭R近空間”尚無公認(rèn)的“國(guó)際定義”,有人稱其為“近空間”、“亞軌道”、“亞太空”或“超高空”等。臨近空間擁有著大部分大氣平流層區(qū)域(指距地面18~50千米的空域)、全部中間層區(qū)域(指距地面50~85千米的空域)和小部分熱層區(qū)域(指距地面85~500千米的空域),縱跨非電離層和電離層(60千米以下為非電離層,60~1000千米為電離層)。這一空域的自然環(huán)境相當(dāng)惡劣,空氣稀薄且有嚴(yán)重的臭氧腐蝕和強(qiáng)烈的紫外線,但氣象狀況優(yōu)于航空空間。由于臨近空間遠(yuǎn)低于太空,到達(dá)那里的難度、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低;而它又高于“天空”,對(duì)于情報(bào)收集、偵察監(jiān)視、通信保障以及對(duì)空對(duì)地作戰(zhàn)等行動(dòng)具有重要意義。臨近空間是一個(gè)具有重要利用價(jià)值的空域,但受制于技術(shù),過去未受到人們的關(guān)注。臨近空間內(nèi)的空氣密度對(duì)于飛機(jī)等航空器來說過于稀薄,在減少阻力的同時(shí)也減少了對(duì)航空器的支撐;而對(duì)航天器而言,空氣卻又顯得過于稠密,摩擦阻力太大,難以維持其第一宇宙速度的運(yùn)行軌道。二、氣動(dòng)載荷的作用近年來,隨著臨近空間戰(zhàn)略價(jià)值的凸顯,各國(guó)紛紛加強(qiáng)對(duì)臨近空間的全面探測(cè)。同時(shí),臨近空間飛行器也因其潛在的軍用和民用價(jià)值而成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。臨近空間飛行器,是指主要在臨近空間區(qū)域內(nèi)飛行并完成特定任務(wù)的飛行器。臨近空間飛行器的種類很多,在目前各國(guó)提出的各種臨近空間飛行器發(fā)展方案中,按照飛行高度可分為以下三類:18~30千米的平流層平臺(tái)飛行器(包括平流層飛艇、浮空氣球和高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī))、30~60千米的高超聲速巡航飛行器和臨近空間最頂層的亞軌道飛行器。在臨近空間所跨越的3類大氣層(平流層、中間層、熱層)中,相比而言,平流層的環(huán)境特性更加“適宜”臨近空間飛行器的“生存”。平流層飛艇擁有較大的氣囊,氣囊中充滿輕質(zhì)氣體,憑借空氣浮力平衡飛行器的重力,依靠太陽(yáng)能提供動(dòng)力,以螺旋槳的推力克服阻力,其特點(diǎn)是可定點(diǎn)懸停、低速水平飛行,機(jī)動(dòng)性能好。浮空氣球也擁有較大氣囊,充灌輕質(zhì)氣體(如氦氣),無推進(jìn)動(dòng)力裝置,依靠空氣浮力進(jìn)入臨近空間,其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低,但易受風(fēng)的影響,定點(diǎn)、機(jī)動(dòng)性能差,因此其軍事用途相對(duì)有限。盡管浮空氣球可在短期的通信中繼方面發(fā)揮一定的作用,但局限性很大。高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)主要指飛行高度在20~30千米之間,飛行時(shí)間達(dá)數(shù)十小時(shí)甚至1年的高空戰(zhàn)略性偵察機(jī)、太陽(yáng)能無人機(jī)等,主要采用太陽(yáng)能、氫燃料電池等新型能源,輕質(zhì)結(jié)構(gòu),依靠空氣動(dòng)力達(dá)到臨近空間,其特點(diǎn)是可快速機(jī)動(dòng),能替代低軌道偵察衛(wèi)星,執(zhí)行高空持久監(jiān)視、情報(bào)搜集和通信中繼等任務(wù)。高超聲速巡航飛行器是一種能從常規(guī)軍用跑道上起飛、可重復(fù)使用的無人高超聲速巡航飛行器,又稱高超聲速轟炸機(jī)。其飛行高度可以遍及臨近空間30千米以上的大部分空域,最大特點(diǎn)是飛行速度快,主要用于全球快速打擊。亞軌道飛行器是指在高度上抵達(dá)臨近空間頂層但速度尚不足以完成繞地球軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的飛行器。亞軌道飛行器的飛行速度快,任務(wù)完成后返回地球,可重復(fù)使用,主要用于有效載荷的運(yùn)輸,也可用于軍事偵察。三、高超聲速航天器和亞軌道航空器臨近空間飛行器與衛(wèi)星相比,具有下列優(yōu)點(diǎn):(1)效費(fèi)比高。氣球、飛艇等臨近空間平臺(tái)以氦氣作為上升動(dòng)力,不需要復(fù)雜昂貴的地面發(fā)射設(shè)備,成本比衛(wèi)星低得多。廉價(jià)的浮空器每個(gè)耗資1000美元,臨近空間平臺(tái)耗資也不過數(shù)百萬美元,而遂行同類任務(wù)的衛(wèi)星至少耗資上億美元。(2)機(jī)動(dòng)性好。臨近空間飛行器既可以隨風(fēng)飄浮,也可以機(jī)動(dòng)或懸停,具有一定的可控性。此外,高超聲速飛行器和亞軌道飛行器,在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中可達(dá)到先發(fā)制人、遠(yuǎn)程快速全球打擊的目的,具備“能夠在任何時(shí)間,使在全球任何地點(diǎn)的高價(jià)值目標(biāo)陷于險(xiǎn)境或?qū)ζ鋵?shí)施打擊”的能力。(3)技術(shù)難度低。搭載有效載荷的技術(shù)難度低且易于更新和維護(hù)。(4)靈敏度和分辨率高。由于與目標(biāo)的距離只是低軌衛(wèi)星的十分之一到二十分之一,因此可接收到衛(wèi)星接收不到的低功率傳輸信號(hào),對(duì)地觀測(cè)的分辨率也比衛(wèi)星高。臨近空間飛行器與飛機(jī)相比,具有更多優(yōu)點(diǎn):(1)留空時(shí)間長(zhǎng)。臨近空間飛行器的留空時(shí)間比飛機(jī)延長(zhǎng)幾十倍甚至幾百倍(一般可達(dá)到1年),易于長(zhǎng)期、不間斷地獲取情報(bào)和數(shù)據(jù),對(duì)緊急事件可迅速做出響應(yīng),而且人員保障少、后勤負(fù)擔(dān)輕。(2)視野廣。臨近空間飛行器的飛行高度在傳統(tǒng)飛機(jī)之上,其覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)飛機(jī)。(3)生存能力強(qiáng)。目前世界上絕大多數(shù)的作戰(zhàn)飛機(jī)和地空導(dǎo)彈都無法達(dá)到臨近空間高度,因而無法對(duì)臨近空間飛行器構(gòu)成威脅。(4)隱身性能好。氣球或軟式飛艇的囊體采用非金屬材料,且外形光滑,雷達(dá)散射截面小;溫度與背景溫度相近,幾乎沒有紅外特征信號(hào);可見光特征在天空背景中基本被淹沒。所以,臨近空間飛行器很難被雷達(dá)、紅外和可見光探測(cè)設(shè)備探測(cè)到。四、與地面無線通信的對(duì)接臨近空間飛行器在區(qū)域偵察監(jiān)視、通信中繼、電子戰(zhàn)、運(yùn)輸補(bǔ)給、武器搭載等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。臨近空間飛行器作為偵察監(jiān)視平臺(tái),可對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)偵察和監(jiān)視。如與偵察飛機(jī)和偵察衛(wèi)星配合使用,可彌補(bǔ)飛機(jī)偵察的覆蓋范圍有限、駐留時(shí)間短、生存能力低的局限和衛(wèi)星偵察的分辨率低、對(duì)特定地區(qū)的覆蓋率有限的缺點(diǎn),有助于對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況進(jìn)行全面評(píng)估。臨近空間飛行器作為無線通信中繼平臺(tái),可提供遠(yuǎn)距離或超視距通信。與衛(wèi)星通信相比,傳播損耗小、時(shí)延短、發(fā)射功率低,易于實(shí)現(xiàn)通信終端的小型化、移動(dòng)化。與地面無線通信相比,覆蓋范圍大、受地形限制小,可全天候連續(xù)工作。臨近空間飛行器作為電子干擾與對(duì)抗平臺(tái),有著其他平臺(tái)電子對(duì)抗設(shè)備無法比擬的優(yōu)越性。因?yàn)樗稍谀繕?biāo)上空長(zhǎng)期駐留,進(jìn)行不間斷的電子干擾與對(duì)抗,可以干擾敵方地面和海上的警戒、搜索引導(dǎo)、目標(biāo)指示雷達(dá),減少敵雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和預(yù)警的時(shí)間,為我作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈等提供長(zhǎng)時(shí)間的電子支援干擾;對(duì)來襲的飛機(jī)和導(dǎo)彈等目標(biāo)實(shí)施電子干擾,使其偏離航線或降低命中率。臨近空間飛行器作為運(yùn)輸工具,可以在高于現(xiàn)有防空能力的空域大范圍、高速運(yùn)輸部隊(duì)。巨型臨近空間飛行器也可作為其他臨近空間飛行器的補(bǔ)給和維修平臺(tái)。臨近空間飛行器作為武器平臺(tái),可搭載常規(guī)彈藥、微波武器、激光武器等,從空中迅速對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行精確打擊,并能攔截空中目標(biāo)。總之,開發(fā)利用臨近空間及其飛行器已成為提升戰(zhàn)斗力的新的增長(zhǎng)點(diǎn)。五、高空無人航天器計(jì)劃目前,美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、日本、韓國(guó)、以色列等國(guó)家和地區(qū)都在投入大量的經(jīng)費(fèi)開展臨近空間飛行器的技術(shù)和應(yīng)用研究。美國(guó)陸、海、空三軍、聯(lián)合司令部、導(dǎo)彈防御局、國(guó)家航空航天局以及其他一些商業(yè)部門均在開展臨近空間飛行器技術(shù)與應(yīng)用研究?？哲娞鞈?zhàn)實(shí)驗(yàn)室曾主持召開臨近空間峰會(huì),召集陸、海、空三軍及政府機(jī)構(gòu)和工業(yè)界的100多名代表研討臨近空間概念。美軍聯(lián)合司令部也正在實(shí)施“阿爾法”計(jì)劃,對(duì)臨近空間飛行器如何提升聯(lián)合作戰(zhàn)能力進(jìn)行研究。美國(guó)于2002年10月開始實(shí)施“高空飛艇”(HAA)項(xiàng)目。“高空飛艇”是美國(guó)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的一部分,按照構(gòu)想將至少有10艘飛艇分布在美國(guó)太平洋和大西洋沿岸,每艘飛艇都將配備覆蓋直徑達(dá)1200千米圓形區(qū)域的監(jiān)視雷達(dá)和其他傳感器,監(jiān)視飛向北美大陸的彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈等目標(biāo)。美軍正在實(shí)施的“海象”飛艇計(jì)劃,計(jì)劃建造15艘“海象”飛艇,其目標(biāo)是將1800名士兵、500噸作戰(zhàn)裝備物資,在7天內(nèi)精確地投送到20000千米以外的地點(diǎn),甚至可實(shí)現(xiàn)全球到達(dá)。飛艇還可以在其氣囊中攜帶大型雷達(dá)天線。2009年美空軍與國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局簽署協(xié)議,研制一種能在將近20千米高空飛行10年、提供對(duì)地監(jiān)測(cè)的巨型飛艇,可在15天內(nèi)飛抵地面任何地區(qū)的上空,并計(jì)劃于2014年前完成長(zhǎng)度為實(shí)際飛艇三分之一的樣艇。2005年,美國(guó)防部公布的《2005~2030年無人機(jī)系統(tǒng)路線圖》首次將臨近空間飛行器列入無人飛行器系統(tǒng)。同年2月4日至11日,美國(guó)空軍舉行的“施里弗”空間戰(zhàn)計(jì)算機(jī)模擬演習(xí)首次引入了臨近空間飛行器的概念。2004年,美陸軍空間與導(dǎo)彈防御司令部開始研制可在19.8千米高空滯留4天、能完成各種監(jiān)視任務(wù)的“獵戶座”高空長(zhǎng)航時(shí)(HALE)氫燃料動(dòng)力無人機(jī)。另外,美空軍正在開發(fā)RQ-4“全球鷹”改型的高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)。美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局2009年版戰(zhàn)略規(guī)劃中的8個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一“先進(jìn)的無人和有人系統(tǒng)”新增了兩項(xiàng)臨近空間飛行器的計(jì)劃,一是“禿鷹”計(jì)劃,該計(jì)劃的目標(biāo)是研制一種無需加油和維修,在18~28千米高空可駐留5年的飛行器。單架飛行器即可完成對(duì)一國(guó)的監(jiān)視與偵察任務(wù),并能提供等同于同步衛(wèi)星的通信能力;二是“快眼”無人機(jī)計(jì)劃,是美國(guó)防部設(shè)想最快部署的臨近空間無人機(jī),目標(biāo)是利用火箭在1小時(shí)內(nèi)把具有遠(yuǎn)程續(xù)航能力的臨近空間無人機(jī)從美國(guó)本土發(fā)射部署到全球任何地點(diǎn),用于完成長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)視、偵察與通信任務(wù)。為推進(jìn)“全球到達(dá),全球打擊”戰(zhàn)略,美國(guó)國(guó)防部正在加快發(fā)展X-51A高超聲速巡航飛行器,計(jì)劃將其發(fā)展為一種高超聲速全球精確打擊武器,以實(shí)現(xiàn)在1小時(shí)內(nèi)攻擊地球上的任何目標(biāo)。美空軍正在實(shí)施“獵鷹”計(jì)劃,試圖研發(fā)一種可重復(fù)使用的“高超聲速巡航飛行器”,能夠在2小時(shí)內(nèi)從美國(guó)本土向16000千米距離內(nèi)的地區(qū)投送5.4噸有效載荷,該系統(tǒng)預(yù)計(jì)2025年列裝。亞軌道飛行器的開發(fā),目前主要用于太空旅游等商業(yè)用途,但設(shè)計(jì)中考慮了軍事使用的可能性。目前已獲得成功的亞軌道飛行器只有美私人太空船——“太空船一號(hào)”。英國(guó)維珍銀河公司建造的“太空船二號(hào)”也已完工,并準(zhǔn)備在2010年進(jìn)行首次試航。受“太空船一號(hào)”的啟示,美軍正在研制新型軍用宇宙戰(zhàn)機(jī)——“熱鷹”,這種戰(zhàn)機(jī)可抵達(dá)雷達(dá)無法探測(cè)的約80千米的高空,4小時(shí)內(nèi)把13名“宇宙尖兵”運(yùn)送至世界任何一個(gè)角落。俄軍已啟動(dòng)以臨近空間飛行器為平臺(tái)的偵察監(jiān)視系統(tǒng)的研究試驗(yàn)工作。俄軍認(rèn)為,盡管他們擁有龐大的海軍,但受地理位置的限制,一旦發(fā)生危機(jī)和沖突,俄海軍的各個(gè)艦隊(duì)仍將主要依靠自己的力量和武器自主作戰(zhàn)。為彌補(bǔ)這一不足,俄軍試圖將高空飛艇技術(shù)用于軍事目的,用臨近空間飛行器平臺(tái)來解決海軍的協(xié)同作戰(zhàn)問題。韓國(guó)軍隊(duì)正在自行研發(fā)較小型的臨近空間飛行器及其通信載荷。此外,韓軍從美國(guó)購(gòu)買了8艘臨近空間飛行器,用于軍事監(jiān)視和預(yù)警任務(wù)。日本在20世紀(jì)末制定了一個(gè)有關(guān)臨近空間飛行器的“千僖計(jì)劃”。日本未來的臨近空間飛行器預(yù)期飛行高度為20千米,計(jì)劃用于高精度圖像攝影、區(qū)域監(jiān)控、情報(bào)收集和低功率通信等。以色列軍隊(duì)是臨近空間飛行器的積極倡導(dǎo)者,其空軍正通過飛艇上