临近空间飞行器，如何改变未来作战形态？
导语：临近空间飞行器是指工作于临近空间并利用临近空间独有资源和特点来执行特定任务的飞行器。近日，中国航空工业一飞院研制的临近空间长航时大型太阳能无人机“启明星50”首飞成功，再次引发人们对临近空间飞行器的关注和热议。1临近空间的定义 一般将临近空间定义为离地球表面20km~100km的空域。临近空间是航空与航天活动空间的接合部，临近空间下面的空域是传统航空器的主要活动空间，是航天器的运行空间。
临近空间目前只是一个学术概念，也称“近空间”、“亚轨道”或“空天过渡区”。临近空间属地球大气层的一部分，拥有着平流层区域（指距地面18到55km的空域）、中间层区域（指距地面55到85km的空域）和小部分增温层区域（指距地面85到800km的空域），纵跨非电离层和电离层（按大气被电离的状态，60km以下为非电离层，60到1000km为电离层），其绝大部分成分为均质大气（90km以下的大气，上面的是非均质大气）。
2临近空间飞行器的优势 临近空间飞行器是指只在或能在临近空间作长期、持续飞行的飞行器或亚轨道飞行器或在临近空间飞行的高超声速巡航飞行器，具有航空、航天飞行器所不具有的优势，特别是在通信保障、情报收集、电子压制、预警、民用等方面极具发展潜力。
首先是相对安全且广阔的工作环境。目前绝大多数的作战飞机、侦察飞机和地空导弹工作在临近空间以下，外太空武器也还没有进入实战阶段，如此一来，临近空间便成了目前和今后较长一段时间内相对独立的真空层。再加上临近空间没有云、雨和大气湍流现象，雷暴闪电较少，在这里运行的飞行器就显得自由且安全。
其次是超长驻空时间和超低使用成本。与作战飞机、侦察飞机相比，临近空间飞行器留空时间可达一年之久。与卫星等航天器相比，临近空间飞行器不需要复杂昂贵的地面发射设备，研制、发射和使用成本低得多，而它的自由度和灵敏度则高得多，既可以随风飘浮或者悬停，也可以瞬间加速追踪、打击，而且对地观测分辨率通常要高于卫星。
综合来看，临近空间具有极强的实战意义，它可以执行飞机、卫星所能执行的几乎所有民用或军事任务，同时又弥补了二者的不足。既可以进行情报监视、侦察，又可以提供气象预报；既可以像GPS卫星一样为导弹、飞机导航，也能搭载有效载荷，直接进行运输或作战任务。因此近年来临近空间正迅速成为现代太空竞赛的核心区。
3临近空间飞行器相关技术 临近空间环境里大气密度极低，30km高度的大气密度只有海平面的1.5%。昼夜温差大，夜间温度可降至-70℃以下，白天太阳直射时温度又高达80℃以上。临近空间区域各种宇宙射线较强，给飞行器的长久驻留带来巨大挑战。要想实现持续飞行，临近空间太阳能飞行器必须解决无人机平台设计、太阳能光伏转化、储能电池蓄能、电机—螺旋桨推动、系统可靠性保障等一系列关键技术。
首先是临近空间无人机的高效气动设计技术。众所周知，太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，但太阳能也是一种不同于传统化石能源的低密度能源。任何一款飞行器要想利用太阳能持久飞行，必须用极高的气动效率来降低能源消耗，也就是说必须具有很高的“升阻比”，这需要从总体布局、翼型选择、舵面优化等多方面进行精细化一体化设计。
其次，为了飞得高必须减轻自身重量，“为减轻1克重量而奋斗”是必须践行的设计理念。因此，临近空间无人机大量采用碳纤维先进复合材料结构，以期用最小的重量完成结构设计。而大尺度轻质复合材料结构的设计、强度分析、制造工艺等环节均要突破相应的技术难关。
此外，如何将太阳光高效转化为电能，白天在为无人机提供能源的同时储能充电，从而实现昼夜飞行。高效太阳能光伏电池、高能量密度低衰减储能电池、高功率密度电机和高效螺旋桨是组成高效能源动力系统的基础。在高效电机与螺旋桨匹配、柔性高效太阳能光伏电池制造、高能量密度低衰减储能电池制造、能源综合优化与管理等方面同样存在巨大技术难点。
最后，长久持续的临近空间飞行，对飞机结构、传感器、飞控航电、能源动力系统等在内的所有分系统的可靠性提出了极高要求，任何一个环节出现问题都可能导致飞行故障甚至坠机。
4临近空间飞行器发展现状 2005年，美国防部公布的《2005~2030年无人机系统路线图》首次将临近空间飞行器列入无人飞行器系统范畴，美国空军举行的施里弗空间战计算机模拟演习首次引入了临近空间飞行器的概念。
2006年初，美国空军科学咨询委员会发布题为《在临近空间高度持久存在》的研究报告，对美国空军近期（到2010年）、中期（到2020年）和远期（2020年以后）发展临近空间飞行器提出建议。
短短几年时间，临近空间飞行器的发展可以用异彩纷呈来形容。目前各国在研的临近空间飞行器，按照飞行速度大致可分为低速飞行器（马赫数小于1.0）和高速飞行器（马赫数大于1.0）两大类型。
低速临近空间飞行器主要包括：平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。它们具有悬空时间长、载荷能力大、飞行高度高、生存能力强等特点。
高速临近空间飞行器主要包括：高超声速巡航飞行器、亚轨道飞行器等。它们具有航速快、航距远、机动能力高、生存能力强、可适载荷种类多等特点，具有远程快速到达、高速精确打击、可重复使用、远程快速投送等优点；既可携载核弹头，替代弹道导弹实施战略威慑，又可选择携载远程精确弹药，作为杀手锏手段，攻击高价值或敏感目标，还可携带信息传感器，作为战略快速侦察手段，对全球重要目标实施快速侦察。
以下是部分典型临近空间飞行器介绍：
（1）太阳能无人机
国外开展太阳能无人机研究的，主要为美国和欧盟国家，比较著名的有NASA的Pathfinder、Pathfinder-Plus、Centurion和Helios四型太阳能无人机，以及Solong、Zephyr、HELIPLAT、Sky-Sailor等。
2009年3月初，美国国防部预研局启动“秃鹰”计划，该项目的目标是发展具有低轨道特性的传感器平台和通信中继无人机系统，预想翼展150 m，飞行高度20000～30000 m，任务载荷450 kg，持续飞行时间5年，要求有与卫星相似的系统可靠性和余度。2010年，波音/奎奈蒂克公司团队研制的太阳鹰战胜了洛克希德・马丁、极光飞行科W公司，赢得8900万美元的合同，该机翼展约123 m，留空时间30天，飞行高度17～27 km。
（2）飞艇
传感器与结构集成（Integrated Sensor Is Structure，ISIS）项目是美国国防高级研究计划局的近空间发展计划，其目标是研制一种传感器和飞艇结构集于一身的大型平流层飞艇，携带的巨型雷达与飞艇尺寸相当，实现对地面目标和空中目标的持续监视能力。ISIS作为一个遥感器系统，可以对地面大量“时间敏感”目标实施监视和跟踪。
陆军高空哨兵平流层飞艇。美国陆军战略司令部高空哨兵平流层飞艇计划旨在通过螺旋式发展的方式，逐步研制出可携带22.7~90kg有效载荷、功率为200~1000瓦、留空时间为4~30天、留空高度为20km、后勤保障负担小的平流层飞艇，用于实现低成本战术通信，并完成情报、监视和侦察任务。高空哨兵飞艇在设计上已考虑到野外部署的需要，在发射时只需部分充满氦气，发射过程中氦气膨胀充满囊体，因此发射时无需占用大型飞机库和专用设施，易于野外部署。2005年11月，在一次技术验证试验中，美国成功放飞一艘长44.5m的高空哨兵飞艇。试验中，飞艇载有一个重约27kg的设备吊舱进入22.55km的高空，并留空5h。这是美军在临近空间实现有动力飞行的第二艘飞艇。
（3）传感器飞机
美国空军将雷达、大型天线、电子监听装置和数据链集成在一起，用新颖复合材料和创新的结构设计围绕集成好的组件模塑出一架大型飞机，计划的目的是发展和完善这种飞机所需的技术。空军正在为X波段雷达开发阵面为0.37 m(2)的X波段薄天线阵，将其装在联合无人作战空中系统上进行验证试验。
（4）空军基于气球的战斗天星
美国空军目前正在探索利用自由浮空气球、自由浮空气球/无人机组合来实现临近空间的通信和监视，其典型代表为美国空军的战斗天星(Combat SkySat)计划。战斗天星计划将分两个阶段进行第一阶段方案是自由气球下挂美国空军信息战实验室研制的蓝军跟踪转发器；第二阶段方案是:自由气球下挂滑翔机（携带高分辨率ISR传感器），自由气球一次性使用，滑翔机可重复使用。
2004年11月~2005年3月，美国空军航天司令部在亚利桑那州上空对战斗天星的简易样机进行了多次飞行试验。试验中，两个充氦自由气球在20km的高空飞行了8h，将美国陆军信息战实验室研制的蓝军跟踪转发器RC148的通信距离由18.5km扩展到555km，覆盖范围与伊拉克国土面积相当，可明显改进地面部队之间以及地面部队与空中支援飞行员之间的通信。2006年4月，美国空军在联合远征部队试验中再一次对战斗天星进行了验证。这些演示试验证明，临近空间飞行器能够提供近空间通信支援，可作为卫星和无人机的补充。美国空军计划进一步提高自由浮空器的技术成熟度，使其可携带更重、更昂贵的有效载荷。
（5）空军临近空间机动飞行器
美国空军目前正在积极开发采用充氦飞艇完成空中侦察、战损评估、通信任务的技术，其典型方案为JP宇航公司为空军研制的临近空间机动飞行器(NSMV)。2003~2005年，美国空军对NSMV的原型艇攀登者(Ascender)进行了试验。2003年11月，美国空军将未携带任何设备的攀登者释放到30km的高空进行初期试验，并获得成功。2005年3月，美国空军进行了两次攀登者裸机的30km高空飞行试验，但均未达到预期目的。
（6）平流层卫星(Stratellite)
2005年3月12日，美国Sanswire网络公司展示了其研制的平流层卫星样机。该样机长57m，体积是目标艇的1/3。2005年5月9日，Sanswire网络公司完成了该样机的浮空试验。平流层卫星的预定飞行高度为19~21km，预定留空时间为半年，备有GPS导航系统，用空气螺旋桨实现低速移动，能量来自背部的太阳能电池板。多个平流层卫星可以组成一个大规模中继站网络，能够覆盖美国全境。
5未来前景展望 临近空间飞行器续航时间长，巡航高度较高，任务适应性强，能够随时降落加以维修和变更有效载荷，效费比高，因而有着十分广泛的潜在应用前景。在军事应用方面，临近空间飞行器能够利用其飞行高度和续航时间优势，完成长时间不间断侦察与监视、目标定位、电子情报收集、电子干扰、通信中继等作战任务，生存能力较高。在民用方面，临近空间飞行器可应用于国土资源调查、气象观测、环境监测、边境巡逻、通讯中继、空中和地面交通管理等任务。
尽管国内外临近空间太阳能无人机的研发一波三折，屡屡受挫，但世界各国的科学家们仍不遗余力地进行研发。这一系列的技术努力使我们有理由相信，随着太阳能光伏转换效率和储能电池能量密度的提高，加之无人机气动效率、螺旋桨效率、结构效率、电机功率密度的进一步优化，系统可靠性的不断提高，临近空间无人机“临空飞舞”造福人类的日子一定会来到。
（文/张庆）
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