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临近空间飞艇
发布时间:2016-03-08 20:42:13| 浏览次数:
一:什么是临近空间?为什么飞机和航天器不能长时间在临近空间飞行?

所谓的临近空间是指距离地面高度2万米到100公里之间的区域。但是和此次中国临近空间飞艇首飞新闻报道中不同的是,飞机和航天器是可以在临近空间飞行的, 只是时间不能维持太久。实际上稍有军事常识的人都知道,最大飞行高度超过两万米的战斗机是相当多的,而且在50年代就出现了。

对于飞行速度非常高的航天器来说,临近空间的空气虽然稀薄,但形成的阻力仍然过大了。在临近空间飞行会使它必须要额外消耗很多燃料来维持高度,否则就必须返航或者在大气层中坠落烧毁。

对飞机载人飞机来说,它要在座舱内维持足够的气压,保证飞行员的生命安全;因此要从发动机压缩空气的过程里,抽取大量空气送进座舱。整个这一类设计的工作极 限,就只能到2.5万米,因为空气密度已经只有海平面的1/40了,工作效率已经低到临界点了。再往高就必须采用宇宙飞船式的全封闭设计。

人 类不仅没有造出过能在2.5万米附近长期飞行的飞机(这个高度和以上的记录,都是飞行员玩命短时间冲刺的结果,无法停留),实际上要维持在2万米附近长时 间都非常难。空气密度低到地面的1/14,使飞机需要很高的速度才能维持足够的升力,抵消自身的重量;而发动机又损失推力特别大,要多烧好多的油。
要长时间(最低数天以上、长则一年以上)维持在1.8万米到3万米之间(再高就超出现在人类的科学工程技术水平了)高度的有动力飞行,目前唯一可行的方法,就是利用飞行器自身的浮力来克服重力,飞行的动力由太阳能电力系统提供(这样可以把重量减少到最小)。

我国此次放飞的临近空间飞艇,就属于这类设计。它通过在气囊内灌充非常轻的大量氦气,使整个飞艇的密度比2万米以下的空气还小,因此维持两万米高度本身不需要额外的消耗动力。

二:临近空间飞艇有哪些特别明显的优势?

相对于飞机和卫星来说,飞艇在性能上有三大优势。第一是在同一地点的维持存在时间极长,第二是使用费用低,第三是探测能优势明显。这使它在通信中继、对地监控、防空警戒上有着非常大的潜力优势

临近空间飞艇充当通信中继平台

由 于距离远、功率有限,通信卫星的带宽不仅昂贵而且资源紧缺。而现在的军事侦察手段对于带宽的要求正在越来越高,比如全球鹰这样能实时发挥大量高清照片和视 频的战略侦察机,只要几架,就能在数千平方公里以内消耗掉所有的卫星通信资源;再增加数量,就只能挤占其它系统的份额了。

图:全球鹰无人机。现代无人机性能越来越好、装备越来越多、使用越来越广泛的背后,对于通信系统的资源压榨也越来越厉害

而 临近空间飞艇可以携带通信中继设备,极大的缓解通信卫星的工作压力。早在2003年,美国空军的空间战实验室,就在名为“攀登者”的试验飞艇上实现了三万 米高度的初期试验。除了悬浮、降落、返航等基本飞行控制功能的验证外,最主要的就是通过携带的45公斤重的通信和监视设备,完成通信中继和对地监控任务能 力的验证

ISIS飞艇,上面蓝壳子是太阳能电池,中间竖起来的罐子是大型相控阵雷达

此外长时间的高空滞留能力,也使它在对地和对空监测上有着特别强的潜力优势。2006年,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》 的报告, 对临近空间平台建设发展进行了中长期规划。

其 中“传感器与结构一体化(ISIS)”飞艇,设计重点就在于利用飞艇搭载大型相控阵雷达,利用高度优势,针对伊拉克、台湾海峡、伊朗进行战时监控。根据论 证结果,一艘ISIS定点在伊拉克中部,就能覆盖伊拉克全境;定点在菲律宾北部的吕宋海峡上空,就能覆盖台湾海峡、台湾岛、台湾以东海面。

图:美军的JLENS系留式飞艇,高度在3000米,能连续运行30天,主要为防御巡航导弹开发

但就目前来说,受限于能源等问题,真正能做到7天/24小时不间断的高精度监视(信息精度达到火控级别,能直接用来引导导弹等武器攻击目标),发挥滞空和高度优势的飞艇,还只能是停留在中空的系留式飞艇。它可以通过与地面之间的电缆来满足探测设备的需要。

三:临近空间飞艇真正实用化的技术难点何在?

总的来说,临近空间飞艇有很大的军用潜力,但是目前还受制于很多技术上的障碍,不能真正的实用化。目前最主要的难点在于材料、能源、动力/飞行控制三个方面。材料比较好容易理解,飞艇的骨架、气囊、外壳这些部件都要越轻越好,因为它们都是死重,要挤占各种设备的重量。

尤其是飞艇在两万米高度时,空气密度非常低,增重1公斤,就要至少10立方米以上的氦气囊体积来维持平衡。高度越上升,载荷能力越差——从2万米到2.5万米,空气密度从海平面的1/14急剧下跌到1/40。

现阶段太阳能电池板的效率还是太低了

其次是能源,由于要严格控制重量并维持长时间工作,因此飞艇的主能源系统不能使用消耗燃料的供能方式,也不能用一大堆电池——别说飞艇,纯电动汽车现在人类都只能造出大玩具级别的东西。它只能依靠太阳能来发电,而现阶段的太阳能发电板/薄膜效率都不怎么高。

美 国空军和国防高级研究规划局联手的ISIS飞艇研制之所以暂停,关键的原因就是上面这两个问题。它一方面要把设备重量和飞艇自身空重的比例从2%提升到 40%——这真是何等丧心病狂的规划,以至于飞艇结构研制目前根本达不到这样的高要求;另一方面的问题,就是它搭载的大型相控阵雷达需要的高功率电力,目前的飞艇能源系统根本提供不了。

图:美军的一种中等高度飞行的飞艇,它采用飞行升力和浮力混合升空的方式,动力在飞艇中算很强的,但螺旋桨和整个艇身的体积仍然完全不成正比。

从动力/飞行控制上说,2万米高度上气流一般很稳定,但风速较大,平均在10米/秒左右,最大能到40米/秒。飞艇由于自身体积特别大,因此受到风力作用形成偏航、沉浮、翻滚的趋势也特别强烈,要用很有限的重量和动力功率去克服这些问题,难度非常的高。

四:我国临近空间飞艇在国际上是什么水平?

在临近空间飞艇领域,总体设计水平最高的是美国,材料水平最高的是日本,此次我国放飞临近空间飞艇也并非全球首例。美国在21世纪以后投入了近百亿美元规划 了数十个浮空飞艇项目,其中2007年后立项的临近空间飞艇重点项目就有4个,陆海空三军都有各自的独立项目。在2005年时美国陆军的HiSentinel飞艇就已实现超过2.26万米高度的长时间持续动力飞行。

日本以前制造的“平流层平台”SPF临近空间飞艇
除开美国以外,日本在临近空间飞艇的研究水平上也很高,尤其是在材料领域。事实上现在美国、欧洲的临近空间飞艇关键的核心原材料,都大量依赖日本提供。比如 临近空间飞艇的蒙皮,必须使用多层复合设计才能同时满足耐紫外线照射和大温差、防止氦气渗漏等多种要求;而承力层的材料,就必须采用重量极轻的高强度纤维 来纺织布料。

目前最好的材料是PBO(聚对苯撑苯并二恶唑),能将PBO做成纤维、并工业化生产的,全世界范围内只有日本。而日本所有PBO纤维的销售,全部被美国所控 制,基本全部用在了航天航空和导弹制造业上。我国目前一些公司和高校已经能拿出PBO纤维的样品,但性能有限而且距离工业化生产还有非常大距离。

 
 
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