临近空间的武器装备发展及趋势简析

2019-02-13马少维

航天电子对抗 2019年6期

马少维

(中国人民解放军31511部队，北京 100144)

0 引言

进入21世纪以来，世界各军事强国争相开展了“制临近空间权”的角逐。抢先进入临近空间、控制临近空间和利用临近空间，已成为当前世界各国国家安全和军事发展战略的重要内容。以美国为首的西方强国经过探索和研究，目前已经在临近空间作战研究工作方面取得一系列成果。

本文针对临近空间武器装备的研究现状和军事应用前景展开讨论，分析了国内外临近空间武器装备的发展及趋势，并分析了临近空间飞行器在军事应用方面的优势。在此基础上阐述了临近空间飞行器的未来应用前景，为临近空间领域的探索及临近空间飞行器的研究和发展提供了思路。

1 开发临近空间武器装备的重要意义

临近空间，是介于普通航空飞机的飞行空间和航天器轨道空间之间的区域。一般定义为距距地面20～100 km的空域，包括大部分平流层、全部中间层和部分电离层，介于传统的空天之间。临近空间飞行器装备(near space weapon)是指利用临近空间，用于破坏与干扰空间目标(距地面100 km以上)及实施通信、遥测、侦查、输送、拦截和打击陆地、海洋与空中目标的飞行器的统称。临近空间飞行器的独特优势主要包括：

一方面，临近空间具有相对安全且广阔的工作环境。临近空间以下，目前绝大多数的作战飞机、侦察飞机和地空导弹都没有办法到达这一高度，对着可望而不可即的临近空间飞行器，也只能“干瞪眼”；而临近空间以上，目前的外太空武器也还没有进入实战阶段，面对临近空间的威胁，太空中的卫星们或许看得到却也动不得。如此一来，临近空间便成了目前一段时间内相对独立的“真空”层。再加上临近空间没有雷暴闪电也没有云、雨和大气湍流现象，在这里的飞行器就显得自由且安全。

另一方面，性价比高是临近空间飞行器的又一优势。与飞机等航空器相比，临近空间中的浮空器和气球留空时间长，可以长达几天、数月甚至更长时间；同时现有的飞艇类飞行器隐身性能更好。与卫星等航天器相比，发射成本较低；而它的灵活度和灵敏度高得多，既可以随风飘浮，也可以瞬间加速追踪、打击，或者悬停，而且对地观测分辨率通常要高于卫星。

从发展总体水平上看，浮空器和气球类装备的研制仍处于关键技术攻关与演示验证阶段；而高超声速武器已经进入工程研制阶段，俄罗斯甚至已经开始战斗值班。准确掌握外军在临近空间武器装备研究领域的进展和发展趋势，对于制定正确的临近空间发展策略，控制和利用临近空间具有重要的意义。

2 世界各国临近空间武器装备的发展现状

美军认为，临近空间飞行器可以包括飞艇、气球、高空长航时无人机、远距离滑翔式、巡航式飞行器等多种形式。按飞行速度，一般可分为低动态飞行器和高动态飞行器两类。因此，这里针对这两类飞行器的各国研究现状进行分析。

2.1 低动态飞行器

美国在临近空间发展低动态飞行器，主要包括气球和飞艇、无人机三类，主要有2个特点：一是将一些新研制的或正在开发的先进传感器系统集成到现有飞艇上，使其用作国土安全保障系统或用于军事通信、侦察和监视平台；二是发展超大型运输飞艇。目前已经研制成功的典型飞行器有“攀登者”(Ascender)飞艇、“战斗天星”(CombatSkySat)气球、HAA高空飞艇、“近空间机动飞艇”(NSMV)、高空“哨兵”(HiSentinel)、“海象”(Aalrus)运输飞艇、“快速初始部署浮空器(RAID)、“黑暗空间站”和“轨道攀登者”飞艇等。除了飞艇形式的临近空间低动态飞行器外，美军还在加紧研究能飞行于临近空间高度的无人机，如美国诺斯罗普-格鲁门公司的RQ-4A“全球鹰”无人机已经投入使用，该无人机可在21 km以上高度执行42 h任务，其有效载荷能力在1800 kg以上；在研的无人机包括可飞行于高度20 km左右的“大黄蜂”无人机，飞行于高度在20 km左右、连续飞行时间在一周左右的“全球观察者”无人机，以及飞行于高度在30 km左右、连续飞行时间为数周或数月的“太阳神”无人机等，如图1所示。

图1 “太阳神”无人机

国外开发平流层高空气球的研制单位较多，其先进水平的代表为美国NASA研制的超压、长航时高空气球(ULDB)，最高可达48.7 km的高度，可携带680 kg有效载荷，如图2所示。目前国内以中国科学院高能物理研究所等从事该方面的研制工作最具代表性，该所研制的4 m×10 m高空气球的飞行高度已达到40 km，该所研制6 m×10 m的气球，最大发放有效载荷质量1500 kg，飞行高度为40 km。

图2 ULDB

2.2 高动态飞行器

高动态临近空间飞行器主要可分为两大类：以火箭为动力的高超声速飞行器(HRV)和以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器(HAV)，如高超声速巡航导弹、高超声速飞机等。

2006年美国防部下属的DARPA和空军联合提出了一个雄心勃勃的计划——“FALCON”(猎鹰)计划。该计划的核心就是要研制一种可重复使用、可再入大气层、以高超声速飞行、无人驾驶的空天飞机，遂行侦察任务。该计划将采用一种渐进式的技术开发方法，研发高超声速武器系统的通用技术，并进行演示验证。超声速武器系统部分包括通用航空器(CAV)、增强型通用航空器(ECAV)和超声速巡航飞行器(HCV)。后来DARPA和空军按照国会的意向，将FALCON计划中的CAV重新命名为HTV，并研制了样机HTV-1和HTV-2，如图3、图4所示。其中，HTV-2在2010年4月和2011年8月的两次试验均获得了马赫数为20的空气动力学数据，官方宣布试验获得成功。

图3 HTV-1

图4 HTV-2

美国其他高动态飞行器计划包括：美国宇航局的Hyper-X计划是20世纪90年代中期美国宇航局提出“先进高超声速吸气式推进”计划，其目的是研究并演示可用于高超声速飞机和可重复使用天地往返系统的超燃冲压发动机技术；美国空军的HyTech计划，其近期目标是将碳氢燃料双模态超燃冲压发动机应用于马赫数4～8的高超声速导弹，远期目标是研制马赫数8～10的高超声速飞机；DARPA在2002年提出HyFly计划，目标是发展马赫数为6的高超声速巡航导弹。

俄罗斯在高超声速研究，特别是超燃冲压发动机研究方面有着传统的优势。前苏联早在1957年就开始进行了超燃冲压发动机研究。几十年来,俄罗斯中央空气流体动力研究院、中央航空发动机研究院、图拉耶夫联盟设计局、彩虹设计局、莫斯科航空学院等许多单位都开展了高超声速技术研究。由巴拉诺夫中央航空发动机研究院等几个单位共同进行超然冲压发动机研制的“冷”计划，1991年首次在飞行试验中实现超燃工作模态。“鹰”计划目标是研制一种有翼的高超声速试验飞行器，从飞行器的发射方式、飞行轨道、马赫数及航程等方面，都显示了很高的水平，被认为是俄罗斯高超声速战略巡航导弹的雏形。

临近空间作为科技与军事应用的新空间，无论低动态还是高动态飞行器关键技术都在被迅速突破，尤其是美国不断推出新型飞行器飞行演示，军事专家们普遍认为，开发和利用临近空间必将成为作战能力新的增长点。

3 临近空间武器装备的主要应用

3.1 用作侦查监视平台

与临近空间飞行器相比，航空平台的分辨率较高，但其覆盖范围有限，不能长时间驻留，并且其生存能力较低；轨道平台则更多地用于战略层次的任务，分辨率和对特定地区的覆盖率都不如临近空间飞行器。航空平台、临近空间平台和轨道平台配合使用，可以实现平时和战时任务区域的全方位、全时段的综合侦察监视。作为侦察监视平台，临近空间飞行器不仅可用于战场态势感知，还可用于海洋监视、气象监测、打击效果评估、灾情监测、空中预警等。

3.2 用作通信中继平台

临近空间飞行器作为通信平台可以广泛应用于军事和民用通信。与卫星通信相比，其优势是高容量、高频率利用、传播损耗特性好(比同步轨道衰减少65 dB)、时延小、发射功率低，易于实现通信终端的小型化、移动化，建设周期短，管理、维护和升级容易，成本低。与地面无线通信相比，临近空间通信平台的覆盖范围大、发射功率低，建设周期短、易于升级，通信不受地形的限制，可以全天候连续工作。

3.3 用作电子对抗平台

临近空间飞行器由于生产和使用成本低、活动区域广、没有人员危险等特点，有着其他空域电子对抗设备无法比拟的优越性。特别是，临近空间飞行器可以在目标上空长期驻留，进行不间断的电子对抗。临近空间飞行器可以干扰敌方地面和海上的警戒、搜索引导、目标指示雷达，减少敌雷达发现目标和预警的时间，为作战飞机、导弹等提供长时间的电子支援干扰，从而提高这些作战武器在作战过程中的突防能力、作战效能和生存概率。临近空间飞行器还可以发射高强度的卫星导航干扰信号，从而降低了敌方的作战效能；同时，临近空间飞行器也可以发射增强的卫星导航信号。

3.4 用作空间武器平台

低速的临近空间飞行器具有诸多潜在的军用价值：搭载一定的武器装备后，可以长时间在战区上空巡航，一旦需要，可以从空中迅速对敌地面战略目标实施打击，这种居高临下的突然性攻击可极大地压缩预警反应时间，具有很强的战略威慑作用。一旦威胁解除，还可以回收部署；高速临近空间飞行器作为武器平台时，具有机动速度快、覆盖范围大、高空作战不受气候条件限制等特点，可以使用常规弹药、高能微波武器、高能激光武器等对敌方高价值目标进行快速、精确打击。目前对作为攻击武器平台的临近空间飞行器的研究主要考虑将其作为对地攻击的平台，但是由于它所处的位置比传统的天空更接近太空，因此完全可以胜任作为反卫星等航天器的攻击武器平台，通过高能激光、反卫星导弹等装备来干扰或打击空间目标。

4 发展临近空间武器装备需解决的问题

4.1 高超声速推进技术

要实现高超声速巡航飞行，首先必须具有适合的推进系统。目前的研究重点是：动力装置总体方案；先进控制和燃料供给系统；冲压发动机燃料及材料热沉利用；长时间工作技术验证试验等。

4.2 高超声速制导导航技术

制导方式的分析和选取是高超声速导弹研制的关键任务。不仅与制导精度、打击多目标能力、抗干扰能力等因素相关，还将受到目标机动性、武器成本、技术水平可实现性等因素的影响。从近年国内外的发展情况来看，目前带落角约束的导引方法，包括对比例导引律的改进、基于最优控制原理的导引方法、非线性导引律和变结构导引律等是高超声速武器的研究热点。但相关研究的重点多在导引方法的推导和研究，在导引律的过载特性、弹道特性以及位置和角度控制精度等重要的导引性能的研究方面还显不足，存在导引律结构复杂、导引参数时变、导引信息种类和精度需求高等缺点，其工程应用相对困难。

4.3 高超声速空气动力学技术

当飞行器以高超声速飞行时，气动加热非常严重。为此，必须掌握与高超声速飞行器气动布局及与推进系统一体化设计相关的高超声速流动规律，解决在真实飞行环境下所出现的气动力、气动热新课题。目前，各国正积极发展与高超声速空气动力与热力学相关的基础理论、建模计算及试验验证。

4.4 一体化设计技术

目前的研究重点是：气动设计一体化，要考虑减小阻力、增加升力，还要考虑气动加热、热防护；结构设计一体化，特别是热结构及燃料供应与冷却系统设计一体化；飞行器各子系统及各主要参数的动态与静态一体化；发动机推力控制与飞行器飞行控制一体化等。

4.5 结构材料技术

临近空间昼夜温差极大，对材料及系统控制要求极高。超声速飞行器要求尽可能地减轻结构质量，并克服气动加热问题。因此,长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度的结构材料对于研制高超声速飞行器是非常关键的。主要涉及的结构材料技术是轻质、高强度、耐高温材料和热防护技术。

4.6 飞行控制技术

临近空间飞行器控制问题研究的重点是：面对飞行器所具有的多变量、时变参数、强鲁棒性、高度非线性、纵横向交叉耦合、气动弹性效应显著等挑战性难题，研究系统的动力学建模、控制律设计及稳定性分析方法，尤其是长时间巡航飞行，严酷力、热载荷环境下的伺服机构的设计问题以及高机动状态下的精确控制问题等。

4.7 法律制度问题

临近空间具有重要的应用价值，但对其性质和法律地位尚缺乏权威的统一认识。关于临近空间的法律性质存在着不同观点，争议焦点主要集中在两个方面：一是临近空间是否应作为一个独立的法律概念存在；二是临近空间与空气空间、外层空间的关系。尽管临近空间目前尚未取得独立的法律地位，但是其应成为一个独立的法律概念。临近空间不宜发展成为与空气空间、外层空间相并列的第三类独立空间，而应是在当前空间二元划分之下的一个细分层次，从属于空气空间。可以通过设立临近空间的无害通过制度来调整临近空间中飞行需要与国家安全之间的冲突，其它方面则应使用空气空间法的规定。