美国系留气球载监视系统发展分析

汪岸柳，毛伟文

(中国电子科技集团公司第38研究所 浮空平台部，安徽 合肥 230088)

引言

系留气球依靠气囊内部充入比重比空气轻的气体(LTA气体)，如氦气、氢气等，产生浮力克服自重与设备重量，并通过缆绳系缚于地面锚泊设备，实现升降、既定高度留空等操作。系留气球像飞机和卫星等空中平台一样，可以搭载各种通讯、监测等传感器设备。并且，相对于飞机和卫星，其具有研制周期短、成本低、不需动力、留空时间长、安全性好、使用方便、维护成本低等突出优点，在军事上的应用越来越广泛。

美国是世界上使用系留气球载监视系统最多的国家，自其上世纪70年代的“搜索天钩”(Seek Skyhook)计划开始，到2014年1月底“联合对地攻击巡航导弹防御空中网络传感器系统”(JLENS)正式部署马里兰州截止，美国在国土以及海外战场部署了多达十几种类型、数百套系留气球载监视系统，以保护其国土安全和国防安全。

我国早在上世纪八、九十年代亦开始关注系留气球载监视系统，多家院校和研究所都进行了相关研究，到目前为止，已取得了不小的成果[1]。不过，由于起步晚，基础技术稍显落后，在技术方面和应用方面，与美国相比，还存在一定差距。

本文将以美国已部署或正在研发的系留气球载监视系统为研究对象，整理球载监视系统的技术特点以及美国球载监视系统的发展特点，从而分析其发展趋势，为我国从事相关的技术研究提供一定的参考。

1 系留气球监视系统的主要特点

由于系留气球监视系统利用系留气球平台的浮力升空，可使用系留缆绳来将地面上的电能传给球上的监视设备以保证其正常工作，主要具有以下特点：

1.1 覆盖范围广

球载监视系统可升空至四、五千米的高空，相比地面监视系统，受地球曲率影响小，覆盖范围广。当气球升空高度达到3000米时，对飞行高度50米的目标，其监视距离可达到255千米，是地面雷达的5.7倍，监视面积达到2.8万平方公里，是地面雷达的32.5倍。

1.2 可克服地形遮蔽

由于其工作高度超过一般的地面建筑和高山等地形，可以很好的克服地形障碍的遮蔽，减少监视区域的空白，当雷达系统具有足够的功率和灵敏度时，其对低空目标的监视距离就由雷达的视距决定。因此在监视远距离低空、超低空目标(诸如飞机、遥控无人机、巡航导弹等)方面，升空的雷达系统具有其独特作用。

图1 球载监视系统的工作示意

1.3 续航能力强

系留气球监视系统能源消耗主要来自球上电子设备和任务载荷的供电，相比其它飞行器，这些能源可以由缆绳从地面供给，无需球上携带，大大延长了空中工作时间，几种航空器续航时间如图2所示。

图2 系留气球与固定翼飞机的续航时间对比

1.4 效费比高

对于固定翼飞机或旋翼飞机等飞行器，在飞行过程中需要速度获取动升力，在飞行的过程中需要消耗大量的燃油，其续航能力受到携带燃油量的制约，一般续航时间均是以小时计算。以预警机为例，常规固定翼预警机的续航约6-8小时不等[2]。对于系留气球，其能源的消耗主要为自身的电子设备和任务载荷的供电，而这些电能可以由缆绳从地面供给，因此系留气球的续航时间可以以天计算。一般来说，大型阵地式系留气球的留空时间可在25天左右，小型机动式系留气球的留空时间也能达到一周以上。

1.5 生存能力强

由于系留气球填充压力均较小，在受到炮火攻击时，升力气体的泄漏速度很小，受到攻击后能够有充裕的时间进行相关操作或返回基地进行修复。另外，系留气球的囊体为高透波性材料粘合而成的软体结构，内部无金属骨架，雷达反射面较小，几乎没有雷达回波和红外特征信号，很难被探测到。

2 气球平台主要研制厂商及相应平台产品

限于技术水平、工业基础和综合国力，真正具有自主研制、批量生产气球预警、监视系统能力的国家目前主要为美国。美、英、法、意、印、以色列、科威特、沙特等二十多个国家和地区实际服役使用的气球载装备均为美国生产。

有能力研制系留气球平台的大型公司主要为洛克希德·马丁(洛马)公司[3]、TCOM公司[4]、Raven Aerostar公司以及其它中小型研制商，详细如表1所示。

表1 平台研制产商及平台产品

上表中，洛马公司与Raven Aerostar公司设计生产的系留气球产品命名中的数字表示系留气球的气囊容积大小，单位为立方英尺。TCOM公司系留气球产品的命名则主要以气球的长度为标准。

其它一些中小型研制厂商，有世界航空公司(Aeros)、世界监视集团股份有限公司(WSGI)、信息系统实验室公司(ISL)等。这些公司近几年均开始涉足系留气球监视系统领域，并取得了不小的成绩。

3 美国主要球载监视系统

3.1 美国主要球载监视系统产品统计

依托不同类型的系留气球平台，美国军火承包商，如洛马公司，诺思罗普·格鲁曼公司(诺格公司)，雷神公司等，研究、设计、生产了多种类型的系留气球预警、监视系统。通过对美国近四十多年来的球载监视系统梳理[4]，目前主要有以下类型的球载监视系统，如表2所示。

表2 美国主要球载监视系统情况 单位：万美元

由上表可知，40多年来，美国部署了数百套系留气球载监视系统。其中，2000年以来，尤其是美国在阿富汗、伊拉克的战争，更是推动了球载监视系统的应用，以RAID、PGSS、PTDS三种系统为例，其部署数量之和超过百套，若考虑其备份、损坏后再修复以及损毁后再重新生产的系统，其使用数量远大于上述统计数。

3.2 美国球载监视系统使用特点分析

根据上一节的统计信息，可以看出美国球载监视系统使用有如下特点：

3.2.1 战略级球载监视系统持续发展

JLENS始于1996年，由美国陆军空间和导弹防御司令部主导，发展系留气球载雷达监控系统，以保护美国国土安全。2014年1月，JLENS系统终于部署马里兰州，以保卫美国首都华盛顿特区及其东部海岸。作为当今最先进的战略级球载预警系统，JLENS十年磨一剑，历尽多方挫折，终于修成正果。

3.2.2 战术级球载监视系统大量发展

美国早期主要是利用420K、TCOM71M等大型气球平台，发展TARS等战略级或工作级球载系统。到21世纪，受到美国在阿富汗、伊拉克战争的迫切需求，以TCOM17M、28M、74K、TIF-25K等中小型系留气球为平台，发展了诸如RAID、PGSS、PTDS等战术级球载监视系统，而且数量庞大。

3.2.3 平台与任务载荷兼容性很关键

通过美国的实际使用，球载监视系统平台与任务载荷的兼容性很重要，平台与载荷兼容性包括两方面：

一方面，平台大小与任务载荷的匹配性很关键。以RAID为例，作为TCOM公司2001年就开始部署到阿富汗的球载监视系统，其初期采用TCOM15M气球平台，根本无法满足任务载荷的需求，之后不得不采用更大的TCOM17M气球平台，直接结果就是其后期几乎完全被PTDS、PGSS等系统挤出球载监视领域，只能向地面塔基监视发展。

另一方面，平台与任务载荷功能匹配性也非常重要。以TARS为例，早期，TARS只是空军单独发展的球载监视系统，上世纪90年代初，美国国会要求美国国防部，对西南边境的共三家单位负责的系留气球监视系统，计11个系留气球雷达监视系统进行整合统一管理，合并成TARS系统。目前，TARS的所有站点的气球平台和雷达任务载荷均是由洛马公司一家生产。

4 美国球载监视系统发展趋势分析

随着阿富汗、伊拉克战争的结束，尤其是2013年美国财政危机后，美国的军事策略发生了相应变化，美国球载监视系统发展也发生了改变，其发展趋势有以下几个特点：

4.1 单平台多任务载荷化发展

随着技术的发展，新型囊体材料以及任务载荷的小型化和集成化后，球载监视系统可以实现单平台多任务载荷。以PTDS为例，可同时搭载Wescam Mx-20 EO/IR相机，声敏传感器，通信中继,以及AN/ZPY-1星光雷达等，涉及到光学、声波、电波、磁场等不同类型任务。未来，这种搭配形式将越来越多。

4.2 球载监视系统网络化发展

球载监视系统网络化包括两方面：一个是多个球载监视系统的网络化组成，另外一个是球载监视系统与其他非球载监视系统如无人机、飞艇等进行空中组网。

典型的多个球载监视系统网络化组成代表是JLENS，作为目前最先进的球载监视系统，每套JLENS包括两个气球平台，分别搭载两个功能不同的监视雷达(SUR)和精确跟踪探测雷达(PTIR)，前者提供一个单一、集成、网络空中图片(SINP)，并将信号指令传给PTIR，实现对目标锁定。PTIR可以支持一系列武器，包括爱国者PAC-3，SM-2，SAMs，AMRAAM以及中程扩展防空系统(MEADS)等。

球载监视系统与其他非球载监视系统组网，如REAP、以及测试中的HSV-2。2012年4月下旬，美国海军采用REAP成功进行了无人系统延伸通信中继试验。

4.3 球载监视系统从国防安全向国土安全转变

阿富汗、伊拉克战争的结束，美国从战地撤军后，战时用于保护军队的球载监视系统并没有因为撤军而被拆除。除一部分继续在海外进行反恐与军队保护外，另一部分正在逐步转换职能，从国防安全向国土安全转变[4]。

2013年，TARS由美国空军转为美国海关和边境保护局(CBP)负责运行，凸显其国土安全使命。

4.4 战略级球载监视系统地位不可替代

不论是JLENS系统耗费多大，还是2013年财政危机多么严重，战略级球载监视系统JLENS依然会持续发展，2014年1月底，一套JLENS系统部署在美国马里兰州，进行为期三年试用。

另外，作为处于生命周期末期的TARS，即使早被列为裁撤计划之中，但由于无法找到可替代的系统而不得不延长服役。可以预测，在未来一段时间内，战略级球载监视系统不可能被替代。

5 结语

四十年来，美国成为世界上系留气球载监视系统最主要的使用国，多达十几型的系留气球系统部署在美国本土和海外。

阿富汗、伊拉克战争已证明系留气球监视系统是一项“伟大的装备”。他们被当地指挥官称为“游戏改变者”。JLENS系统正式部署马里兰州，它将成为美国首都华盛顿特区的保护神。

可以预测，随着新材料、新技术的发展，系留气球监视系统将成为美国国土安全和国防安全不可或缺的保护伞。

[1] 高山.气球载雷达结构总体设计[J].雷达科学与技术，2010，8(6)：487-491.

[2] Christopher Bolkcom. Potential military use of airships and aerostats[R]. CRS Report for Congress. Washington.D.C: United States Capitol.2006.

[3] United States Government Accountability Office. Future Aerostat and Airship Investment Decisions Drive Oversight and Coordination Needs[R].Washington: GAO.2012.

[4] The Office of the Assistant Secretary of Defense for Research and Engineering, Rapid Reaction Technology Office. Lighter than air vehicles[R]. Virginia: DOD.2013.