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  美国终止海象(Walrus)大型混合飞艇项目,同时加大高空飞艇及其在监视与导弹防御等关键能力和技术上的投入,预计美国对于无人飞艇的开发有以下三个方面的趋势:1.美国非常重视战略性高空飞艇能力的研究,计划未来将其发展成为低轨道侦察卫星可行的替代手段;2. 2010年之前或在更长时期内美国暂缓对无人飞艇型号项目的大量投资,而等待有关技术取得进步并具备可行性之后再发展计划装备的产品。3. 美国目前对高空飞艇面临的关键技术,如轻质健壮的新材料、高能量密度燃料、再生燃料电池、高效太阳能电池和高空推进系统等相关技术大力投资,一方面为装备效费比更高的高空无人飞艇奠定能力基础,另一方面以此创造性地大幅提升其他空中无人系统的效能

  飞艇是依靠空气浮力升空、可操纵的一种飞行器。按构造可分为软式飞艇、半硬式飞艇和硬式飞艇三大类。软式飞艇的艇体是一个气囊,外形由气囊(包括充满氦气的主气囊和辅气囊)中的气体压力维持;硬式飞艇的艇体依靠其内部骨架支撑,外表覆盖着蒙皮,能保持良好的流线型;半硬式飞艇的艇体形状主要通过气囊中的气体压力维持,一部分也需骨架支撑,由龙骨和蒙皮共同承受整体弯矩和集中载荷。此外还出现了一种重于空气的混合式飞艇,除了具有常规式飞艇的特点外,还具有飞机的特点。混合式飞艇通过综合运用空气动力学、推力矢量和空气浮力来产生升力,可在空中和地面操作的任何阶段控制升力,包括在卸下有效载荷时不需要加载除周围空气之外的压舱物。由于飞艇可携载不同类型的监视设备进行低成本、长航时飞行,从而具有广泛的军事和商业用途

  飞艇的机动性较差使其军事用途相对有限,虽然无人机在护航、跟踪、巡逻等机动行动中应用效果显著,但在监视建筑物等固定目标方面,无人飞艇不仅作为一种低成本超长留空平台成本相对较低,而且效果也要好许多。美国已在伊拉克部署了几个装备有光电和红外摄像机的浮空器提供基本安全保障,还至少部署了一个能持续探测威胁的浮空器系统,该系统能监视整个城市并可对爆炸物和火箭炮的位置进行探测。这些浮空器系统包括美国陆军专门执行监视任务的快速初始部署浮空器(RAID),以更好地保护美军部署在伊拉克的地面部队及贵重资产。美国国土安全部(DHS)基于无人飞艇的经济性与有效性将其作为保卫美国本土的一支重要力量,如洛克希德·马丁公司研制的系留飞艇雷达系统(TARS)部署在美国南部边境一带执行监视任务,非常有效地协助抓捕美国与墨西哥边境的毒犯。同时国土安全部的空中和海上行动办公室(AMO)还表示TARS是唯一一种能提供所辖区域内海面上空100~500英尺(30~152米)低空飞行的可疑飞机信息的固定雷达系统,是满足军方无缝隙侦察(覆盖整个地域)需求的理想平台

  随着美军航空航天技术的发展,美军自2003年以来掀起一股近太空研究的热潮。美国空军通过两次对伊战争以及阿富汗战争发现当前的侦察、监视和通信平台面临地空导弹的威胁越来越大。航天侦察平台在瞬息万变的战场环境下明显反应迟缓,同时航天侦察还存在侦察精度和幅宽的矛盾。如在伊拉克战争中美军共使用6颗侦察卫星,两次卫星侦察的时间间隔为几小时,这完全不能满足美军对实时情报的需求

  低空运行的浮空器很容易被恶劣的天气摧毁或被敌人的地面炮火击落,这样大大限制了无人飞艇的使用范围。美空军认为在高度范围6.5~32.5万英尺(19.8~100千米)的近太空,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成本有效地实现广域覆盖。此外,美军还认为将无人飞艇送入近太空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。据美军改善实时战场信息支援的一份研究报告称,近五十颗小型侦察卫星组成的监控集群与一架近太空无人飞艇取得的作战效果相差无几。此外近太空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

  美军在近年来的高技术局部战争中充分利用遍布海陆空天的战场感知系统克敌致胜。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

  首先高空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

  其次无人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,近太空无人飞艇效费比高、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卫星失灵或其地面控制站受损后,使用快速反应的近太空无人飞艇补充缺失的功能

  还有无人飞艇在导弹防御和防空方面的应用潜力受到美国军方的高度重视。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。在空中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,为拦截提供一定的时间

  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。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,可见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

  美国主要的无人飞艇技术发展计划有美国导弹防御局(MDA)领导的高空飞艇(HAA)项目、国防预先研究计划局(DARPA)的综合传感器即是结构(ISIS)--传感器飞艇计划和陆军的联合防御对陆攻击巡航导弹空中组网传感器(JLENS)的浮空器系统。高空飞艇项目主要发展无人飞艇的平台技术包括先进的能源和推进系统技术;传感器飞艇计划主要发展大功率低能耗的新概念雷达传感器系统;JLENS项目则主要开发用于无人飞艇导弹防御的网络通信技术。整体而言,美国正大力发展以下四项无人飞艇关键技术:有源电子扫描阵列雷达及其超低能发射/接收(TR)模块、低空气密度下先进飞艇艇身材料、持久使用的电源和推进系统、导弹防御信息技术

  由美国导弹防御局(MDA)领导的高空飞艇(HAA)项目从2002年10月就开始实施,计划提供一种持久、广域海上监视的最佳平台。 据估计HAA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MDA领导的高空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。由于在高空或高高空飞行的高空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(HAA)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

  美国导弹防务局(MDA)早在几年前就授予分布能量系统公司(Distributed Energy Systems Corp)为高空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。对于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一直受到美国空军研究实验室(AFRL)的关注,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。MDA已选择洛克希德·马丁公司进行高空飞艇轻质太阳能电池的先进概念技术演示验证(ACTD),此后洛克希德·马丁公司评估了由密歇根州奥本山的联合太阳能奥佛电子公司(United Solar Ovonic)、位于科罗拉多州利特尔顿的ITN能量系统公司、位于加利福尼亚州查兹沃斯的国际太阳能电力技术公司(ISET)等数家公司研制的太阳能电池。高空飞艇项目的主承包商洛克希德·马丁公司正对全新式电源系统进行初步设计和分析、研制和验证试验,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

  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高空飞艇(HAA)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年中期美国马萨诸塞州的Radant技术公司已在AFRL和美国国防预先研究计划局(DARPA)的参与下开发完成了一种采用微机电(MEM)技术的相控阵扫描天线(ESA),其具有很大的功率·孔径积,同时重量很轻,满足装载在飞艇上的要求。随后于2006年9月Cyber防务公司的子公司--Techsphere 系统公司完成对SA-60球形飞艇上印刷天线的测试,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。此后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(AESA)天线贴合在巨大的飞艇壳体表面,作为飞艇蒙皮的一部分

  DARPA的综合传感器即是结构(ISIS)计划将研制面积相当一个足球场的新型保形雷达阵列(二维曲线),该有源相控阵(AESA)天线阵列作为飞艇蒙皮的一部分铺设在无人飞艇的壳体上。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。雷声系统公司与美国诺斯罗普·格鲁门公司的电子传感器与系统分部并行研制轻质、双波段(超高频VHF和X波段)、低功率密度并可粘合到飞艇柔性表面的有源相控阵雷达。初步分析飞艇与雷达系统的综合指出:ISIS雷达直径可能同飞艇的长度相同,天线的表面密度应小于目前的空间飞行器密度的十分之一。其无需采用拖曳方式或展开方式布放,并将采用高水平的硅、锗芯片技术进行系统集成。每个阵元可通过采用单芯片来实现,同时也致力于采用同一结构(质量)实现多种功能的研究,如飞艇的机械支撑结构能通过光纤电池技术的开发作为储能结构

  美国陆军的联合防御对地攻击巡航导弹网络传感器系统(JLENS)项目正在研制主要用于探测巡航导弹的系留浮空器。该系统能提供持续时间长、探测范围广的巡航导弹防御能力,为防空系统提供充足的预警时间来对抗来袭导弹,还可为指挥官提供更先进的远距通信能力和态势感知能力。美国防务科学委员会(DSB)研究表明JLENS系统的持久多任务执行能力与爱国者导弹系统联合将能对隐身巡航导弹提供优良的防御能力

  雷声公司综合防务系统部(IDS)负责研制JLENS系统,它利用一个传感器网络支持广泛的武器系统,能提供超视距威胁探测和攻击,对于美国陆军巡航导弹防御综合系统至关重要。JLENS系统能跟踪地面移动目标和处于升空阶段的战术弹道导弹,为三军的武器系统和平台传送目标数据,与陆军爱国者和海军标准导弹系统等其他系统综合的能力使JLENS系统成为联合战场空间力量的倍增器

  通过美国军用无人飞艇项目的分析预计其发展按以下原则进行:首先通过所开发无人飞艇的需求牵引对其特性进行分析,提出一个具有潜力的能力发展方向;然后在弄清需要开发无人飞艇的相关新技术后进入具体的可行性研究和验证阶段,这包括一些技术概念验证和可行性验证项目,还有通过授予降低风险合同来扩展实施这一阶段;然后综合已验证的技术提出最终产品的设计方案,最后才是无人飞艇项目的工程发展阶段

  以上充分体现了美军对科研创新和未知领域的探索热情,然而在对近太空无人飞艇开发的积极态度和热情下仍坚持理性的发展原则,这对我国发展高效并具有活力的科研创新体制具有很好的借鉴意义。(作者:中国航空工业发展研究中心航空技术所 崔玺康)



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并要研究其飞行区域稀薄气体的流场状态以研制
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