临近空间飞行器发展现状与未来展望

背景知识

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100km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。2005年美国政府就预言临近空间时代已经来临。临近空间飞行器能提供更多的信息，成本相对卫星较低。工作时间比一般的飞机要长。在民用领域,临近空间飞行器可以长时间重点对某区域进行环境监测, 相对卫星需要受限于轨道和速度, 其监测更加灵敏准确。在军事战争中, 临近空间飞行器可以作为电子对抗平台, 不间断地对敌方武器进行干扰。也可作为信息中继基站, 发挥预警和信息情报传递功能。在科学研究中, 临近空间可以作为空间实验平台 , 在此平台的基础上进行临近空间探索 , 便于对空间复杂的环境进一步了解。

相对于传统的航天飞机和卫星，临近空间飞行器表现出多方面的优势：

1) 在保证侦查范围较大的同时能提供分辨率较高的照片。军事上常用的侦察照相卫星轨道一般为300km左右,距地距离远，信号容易受电离层干扰，并且提供的照片分辨率有限。侦察飞机虽然可以对某一区域进行重点性地侦查，并且能采集并提供高分辨率的图像, 但是飞机的覆盖区域非常有限且容易受到来自地面的攻击。而使用临近空间飞行器可以在敌方领空以外进行部署, 升入临近空间, 然后进入工作区上空, 在30km左右的距离, 可以提供比卫星的分辨率高得多的照片, 并且有较大的覆盖区。

2) 生存能力强，自持时间长。大多数临近空间飞行器可以长时间漂浮在工作区上空, 能耗非常低, 可以持续工作几天、几十天、几个月甚至超过一年, 可以不间断地实时监控, 远远超过了现有的作战飞机。并且目前的作战飞机和地对空导弹都最多只能达到临近空间的下部区域，无法对临近空间飞行器构成威胁, 利用传统航天飞机进行监控侦查还需要冒险进入对方领空, 容易被击落。

临近空间飞行器的重要意义

目前国际形势风云变幻，未来要赢得战争不仅要争夺制海权、制空权, 而且要争夺制天权, 在这种情况下, 空天军的建制就不可或缺。近2年俄军明确提出要按照军种活动的自然领域建立陆海空三军, 其中要建成“在空中-太空活动”的“新空军”。美国在《2020空军构想:全球警戒、全球到达和全球力量》中确定了未来美空军发展的核心思想, 即建设一支航空航天一体化的空军部队。

而临近空间飞行器的发展不仅会对空天力量一体化产生巨大的影响, 而且会极大地促进航天航空技术融合发展。美俄等国正在积极发展空中卫星发射技术、超燃冲压发动机等空天融合技术。同时, 航天航空技术又有着各自不同的工作环境和使用要求。从目前的装备来看, 航空装备在飞行速度、飞行距离等方面具有局限性;航天装备则在快速进入空间、周转时间和运输成本等方面有明显的不足, 这些差异就是二者融合发展的前提。于是实现航天航空技术优势互补, 就成为航天航空技术融合发展的动力, 也是临近空间飞行器发展的现实需要。临近空间飞行器的发展极大促进航天航空技术融合发展，这将成为产生新型空天武器系统的基础。

部分临近空间飞行器在国内外的研究现状

总的来说：高速飞行器中，除了研究热点的再入式滑翔飞行器和高超声速巡航飞行器之外，探空火箭作为一种成熟的临近空间垂直探测平台，往往被人们忽略。低速飞行器中，按照其飞行特点分为超长航时太阳能无人机、平流层飞艇和高空气球，其中高空气球技术成熟度相对较高，已经在通信、空间科学探测、新技术验证等方面有较多应用。高速临近空间飞行器主要包括高超声速飞行器和探空火箭等，前者主要用于远程快速到达、高速精确打击、快速侦查、战略威慑等军事任务，后者主要用于科学探测。

3.1 探空火箭

2011—2016年，美国NASA发射了96枚探空火箭，其中用于中高层大气、电离层探测研究的有26枚；同期，ESA发射了约40枚探空火箭，其中有约13枚用于中高层大气、电离层探测，取得了重要的发现和研究成果。与NASA和ESA相比，中国的探空火箭应用水平，无论从数量上，还是载荷能力、载荷水平、经费支持力度方面均存在较大差距。

3.2 超高速飞行器

美国在20世纪60年代提出了一系列高超声速飞行器发展计划，先后建造了一系列用于高超声速飞行试验的飞行器；20世纪90年代制订并实施了即时全球打击计划，以实现在1 h内对全球任何目标实施打击的能力。除了美国外，俄罗斯、法国、澳大利亚、德国、印度、日本、欧盟等国家或机构均开展了超高速临近空间飞行器的研究计划，各有特色并均取得了可观的进展。2018年12月26日，俄国防部完成了“先锋”（Avangard）高超声速导弹服役前的最后一次发射试验，高超声速弹头通过水平和垂直机动，命中6000 km外的预定目标，各项技术参数全部得到验证。出于保密需要，媒体对中国高超声速飞行器的报道很少，2018年8月3日试射的“星空-2”型高超声速乘波体飞行器是此类飞行器的第一次在主流媒体大幅度公开曝光。该飞行器弹头最大试验飞行速度已经达到5～6 Ma的水准，在实验中完成了主动段转弯、抛罩/级间分离、试飞器释放自主飞行、弹道大机动转弯等动作，并最终按预定弹道进入落区。“星空2号”被称为中国开始发展第二代高超声速滑翔器的标志。2019年10月1日，东风-17正式在国庆阅兵中亮相，标志着高超声速武器已经正式列装，同时展示的攻击-2无人机也属于高超声速飞行器。

3.3临近空间太阳能无人机

欧美等发达国家高度关注并竞相发展太阳能无人机，经过40余年的发展，已逐步由技术验证向工程化应用发展。2018年7月11日，空客西风S(Zephyr S）无人机首飞，在飞行了25 d 23 h57 min后于2018年8月5日降落于亚利桑那沙漠，打破了西风7原型机2010年的14 d飞行记录，创造了飞行时间和飞行高度的非官方记录。2017年5月，中国航天科技集团第十一研究院“彩虹”T4临近空间太阳能无人机首飞，飞行高度最高20 km，总飞行时间16 h，成为国内首家进入临近空间高度的太阳能无人机。

3.4平流层飞艇

国外比较著名的几个计划分别为美国的HISentinel（高空哨兵）系列，洛克希德马丁的高空长航时验证版HALE-D飞艇，以及传感器结构一体化（integrated sensor is structure,ISIS）飞艇。HIsentinel80平流层飞艇2010年11月发放，动力出现故障，未能实现最终目标。洛克希德·马丁公司的HALE-D飞艇，2011年7月飞行，高度9700 m出现排气阀结冰问题，被迫降落。美国的ISIS(integrated sensor is structure）飞艇设计为巨大口径的雷达与艇体结构结合，能够在20 km高空驻留，持续执行预警侦察任务。该项目因为结构超重问题，首次飞行迟迟未能进行，已经远远落后于计划进度（原计划2013年试飞）。中国平流层飞艇研究处于世界领先水平，2012年中国科学院发放成功的KFG79飞艇是当时世界上体积最大（1.8万m3）、推进功率最大（30 kW），并且是首艘受控飞行的平流层飞艇。2015年南江空天的“圆梦号”飞艇成功试飞，进入平流层。近年来，中国电子科技集团公司第三十八研究所也开展了平流层飞艇关键技术研究，并取得了重要进展。

临近空间飞行器发展趋势

临近空间有着得天独厚的位置优势，无论是在军事还是民用方面都有着广泛的应用领域和发展前景。在民用的应用需求主要有科学探测与实验、通信、城市综合服务、对地观测等；军用需求包括快速突防、预警监测、侦察监视、电子干扰和通信导航等。

4.1民用发展趋势

因为临近空间飞行器能够长时间停留在城市上空，可以对建筑、交通、污染、气象等等方面提供相关数据；可用于反恐维稳持久监视等需求；因为相对于卫星，临近空间受到的干扰相对较小，可以进一步发展临近空间的通讯设备建设服务，为偏远地区、灾害地区提供通讯便利；临近空间飞行器平台搭载可见光、微波、激光雷达等遥感器载荷，获取高分辨率遥感影像数据，实现国土资源的精细化普查；实时对农作物、草原和森林等提供长势、病虫害、火警预警等观测的需求。

4.2军用发展趋势

2小时内打击全球任何目标，“外科手术”式打击、战略快速侦察、新质作战能力需求；高超声速飞行器、有效遏制敌方防空系统、干扰对方探测雷达的需求；空天一体化、反卫星、夺取“制天权”的需求；为来袭弹道导弹、巡航导弹、飞机等提供预警，服务于导弹防御系统中的预警功能需求；陆、海、空、天信息系统通过组网和联合方式，实现战场信息立体感知、持久感知和精确感知、远、近预警探测的能力需求；“平流层卫星”、不受地形的限制实现大容量、大范围的超视距宽带通信的需求；地面、海上、空中和太空的通信中继；“高空中继路由器”需求；导航增强、通导遥一体化、战区导航定位系统、提高卫星导航系统的抗干扰能力和定位精度的需求；可以作为空间武器装备平台，对敌战略目标实施打击;可以作为运输补给平台，在必开敌方火力的同事在更高的空域进行运输补给、还可以搭载宇宙飞船、人造卫星等航天器，将其运输至一定高度并发射入轨来降低发射成本。

临近空间飞行器的主要问题

人类对于临近空间的研究尚处在一个初级阶段，如何有效借助临近空间的天独厚的地理位置与天、地，形成一种良好的协作氛围，从而开发更先进的航空武器设备是仍值得进一步思考的。相较于大气圈层，人们对临近空间环境的了解和侦查还远远不够，能有效利用临近空间的相关技术大多数还不太成熟，停留在起步的环节，有着更多开发挖掘潜力的空间和机会。由于临近空间飞行器飞行速度快，机动能力强，作为进攻性武器具有很大的发展潜力。

5.1临近空间飞行器拦截技术

研究临近空间防御问题，实现对临近空间飞行器的有效拦截，对未来国家安全具有重要的战略意义。而临近空间飞行器的拦截问题，仍有待解决突破。这方面还存在着许多重难点问题尚未解决，包括临近空间目标预警问题；临近空间目标有效探测问题；对临近空间内具备机动能力的目标进行有效跟踪滤波的问题；以及反导拦截弹的中段制导控制问题；临近空间中拦截弹气动、推力组合控制问题。

5.2高超声速空气动力学技术

当飞行器以高超声速在临近空间飞行时，气动加热将会变得非常严重。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。

5.3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。

5.4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。

结论

临近空间的研究对于未来各国航天航空方面的发展趋势有着至关重要的引导性作用，同时也对于各国的国防军事事业的发展也有着不可代替的作用。临近空间的研究成果，将会同时对民用和军用方面都产生巨大的影响，带来许多便利。但同时也带来了许多的问题与隐患，如何解决临近空间飞行器拦截问题护卫国防安全、保证飞行器在临近空间正常运转执行任务的技术问题等等。我们应当仔细分析临近空间飞行器发展趋势，立足现状，有侧重性和针对性的发展。能否在临近空间飞行器的问题上拔得头筹，将会很大程度地影响未来战场形式与局面。我们要根据形势积极调整战略方针，做好长期研究临近空间的准备，在关键技术上有所突破，为未来航天航空事业的发展打好基础。

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本文转载自“北理工飞行器控制系统实验室 ”，作者：特立书院邓岚馨，原标题《临近空间飞行器发展现状与未来展望》。

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