一种近太空平台的浮空器应用设想

摘要：近太空平台具有费用成本较低、覆盖范围广、持续时间长、分辨率和敏感度高以及生存能力强等特点。因此，近太空平台在战术任务应用中具有广阔的前景。

关键词：近太空平台，浮空器，应用

1 近太空平台的概念

近太空宽泛的定义为20～100km 之间的区域。近太空空域的空气非常稀薄，多数固定翼飞机都不能在其中飞行，而卫星由于受重力作用过大，难以维持其飞行轨道。但该区域气流比较稳定，空气流动相对较小，是部署高空悬停气球或飞艇的理想空域。近太空平台就是指工作于近太空空域内的气球、飞艇以及滑翔机等飞行器。它们通过携带不同类型的载荷，具备通信、遥测、情报、侦察和监视等各种军事用途。

2近太空平台的特点

（1）费用成本较低

近太空平台固有的简易性、可恢复性和不需要空间加固防护以及地面支持设备需求小等特点，构成了近太空平台明显的成本优势。气球、飞艇等近太空平台仅仅需要氦气作为上升动力，而不需要复杂昂贵的地面发射设施将其送入轨道。

（2）覆盖区域较好

覆盖区域是指平台能够有效提供通信、侦察和监视等空间效能的区域。一般情况下，平台高度越高，覆盖区域越大。卫星的轨道高度远远高于近太空和空载平台，因此具有最大范围的覆盖区域。虽然卫星的覆盖区域最大，但是对于低地球轨道卫星，它们只有进入任务区域可视范围内才能执行通信、侦察或监视等任务，而处于任务区域外时不承担任务，这就造成了较大的资源浪费。对于中高轨道通信卫星，卫星覆盖面积比服务区域大得多，在整个卫星天线覆盖中只有很少一部分波束投射到覆盖区域以内，其他波束都在覆盖区域之外。

（3）分辨率和灵敏度高

通常情况下，平台到目标的距离决定了其分辨率和灵敏度的高低。将近太空平台和典型的400km 高的低地球轨道卫星进行比较，前者高度仅为后者的0?1～0?05，这就意味着：在近太空平台上同样尺寸的光学器件的分辨率要高于低地球轨道卫星10～20倍;近太空平台上的无源式天线的灵敏度可以提升10～13dB;近太空平台雷达和激光雷达等有源探测系统载荷的信号强度能够提升40～52dB。事实上，大多数通信卫星并非在400km 高的轨道上，而是更高，显然在这种情况下其分辨率和灵敏度要更低。

（4）生存能力强

近太空平台具有很强的生存能力。它的雷达和热横截面非常小，其雷达横截面仅有几百分之一平方米。相对于传统空中目标来说，近太空平台移动非常缓慢，因而现代多普勒雷达会将其忽略。目前尖端的军用机载雷达无法发现高空气球便是很好的例证。近太空平台的光学目标也非常小，只有在背景比它们更暗的时候 （如黎明或黄昏时），平台才会显露出来。因此对近太空平台的捕获和跟踪是非常困难的。

（5）持续性长

近太空平台在覆盖范围、分辨率、灵敏度、成本以及生存能力等方面都具有很大的优势，然而其最有效而且特有的是长持续性能力。轨道力学本身限制了任何轨道上的单颗卫星在凝视型监视上的时间持续性，空载平台由于其燃料限制，最长持续时间也仅为几天，而近太空平台通常采用悬浮气球或者飞艇，巡航速度低，滞空时间长，具有长达数月的滞留和监视能力。

3 近太空平台的类型

（1）自由浮空器

自由浮空器基本上就是简单的悬浮气球，其制造和发射成本低，升空后不具备位置保持能力。它们发射后主要受风支配，没有常规的主动操纵或推进系统，但是却能够利用不同海拔高度上风向、风速的差异所产生的可变压载实现有限的操纵。自由浮空器最大的缺点是回收有效载荷困难，一般使用降落伞或者短距离滑翔回收系统。

（2）可操纵自由浮空器

可操纵自由浮空器具有空气动力学控制装置，利用不同海拔高度的风速差异来精确地控制平台的运动。美国设计了一种可操纵自由浮空器方案：大型的氦气球携带1个轻型、9m 高的飞行翼和操纵舵组成的简单控制装置，控制装置通过15km 长的缆绳悬挂在气球下方。氦气球的飞行高度为30km，而飞行翼控制装置的飞行高度为15km，利用两处不同的风速，通过控制其产生的升力来保持气球的稳定。可操纵自由浮空器具有一定的可操纵能力，因此可以携带有效载荷飞回指定位置，进行回收、修复和再次飞行。

（3）机动飞行器

机动飞行器一般带有动力控制装置，能够发射、机动到指定的高度位置并长时间驻留。它可以采用多种动力推进方案。在近太空空气密度较大的低空空域，一般采用螺旋桨推进装置;在近太空海拔更高的空域，空气稀薄，因而采用电推进或者离子推进等推进装置更有效。美国空军太空作战实验室已经进行了几年的机动飞行器概念研究工作，许多其他的机动飞行器仍处于概念研究阶段。

4 结束语

在战争或者战场环境下，近太空平台可以充分发挥其快速反应、持续时间长和区域覆盖好的特点，圆满地完成通信、侦察和监视等战术任务。空载平台和无人机适合执行战术任务，但是近太空平台的覆盖率远大于无人机，飞行高度为36?6km 的近太空平台能够提供直径为680km 的圆区域的战场覆盖，而且持续时间长达数月，十分适于战场、战术应用。另外，近太空平台成本低，装备体积较小、质量轻，战场指挥官可以配备具有多个近太空平台及其相应载荷的后勤支援中队，直接控制中队进行近太空平台的部署，包括近太空系统的发射、回收和整个任务执行期间的操作，从而获得快速、灵活的 C4ISR效能。因此，近太空平台在战术任务应用中具有广阔的前景。

参考文献

[1]临近空间科学技术的发展现状及应用前景[J]. 黄宛宁，科技导报.2019（21）

[2]面向海战场的天基侦察监视能力及关键技术[J]. 万敏，兵器装备工程学报.2019（09）

[3]構建临近空间预警探测体系的思考[J]. 王建军，飞航导弹.2019（10）

作者简介：单卫光（1985.10—）安徽萧县人，高级工，主要从事浮空器全工艺流程研究