系留气球作为飞机和卫星不可替代的一种全新概念的空中平台, 可以在时间和空间上填补飞机和卫星的空白, 非常适合搭载各类电子任务装备, 在军事和民用方面都具有广泛应用前景, 目前世界各国都在竞相开发和研制。由于其具有留空时间长、覆盖面积大、能耗低、便于拆收、机动性强, 可用于气象预报、飞行器监测、广播通讯、地形测绘、低空预警、边海防的空中监测以及反恐监测等特点, 因而受到各方的关注。
1 系留气球简介
系留气球是一种依靠气囊内的浮升气体获得浮力, 并用缆索拴系固定的浮空器。借助于系留缆索、气动升力和剩余浮力, 可以在空中特定范围内实现定高度、长时间驻留[1]。
系留气球系统包括球体、系留缆绳、有效载荷、锚泊平台、地面控制系统五部分 (图1) 。
球体主要用于挂载有效载荷和保持系统稳定性;系留缆绳除承担将气球拴系在地面锚泊设施上外, 还是球体与地面信号传输以及气球供电的主要通道;有效载荷一般是指用来实现通讯的电子设备, 如雷达、广播、电子侦察等;锚泊平台主要用来操纵球体升降、控制和维护系留气球系统, 一般可分为地面固定式、车载移动式、舰载移动式三类;地面控制系统主要用于遥测遥控、监控球体通信设备、监测气球各项工作数据和环境参数等功能, 还可作为中心站完成任务设备信息的存储或转发[2]。
系留气球与其它飞行器相比, 有它不可比拟的优势。
(l) 滞空时间长:一般飞行器执行任务以小时计算, 而系留气球最长可连续滞空30天左右, 在国外通常采用双站运行方式, 一个处于空中工作状态, 另一个作为补充, 处于待升空状态, 以提高效率、保证平台的不间断运行。
(2) 覆盖范围广:如升空高度到达4000多米时, 可监测周边半径350公里左右区域内的目标[3], 若采用更为先进的设备, 其监控范围还可进一步提高。
(3) 侦察功能强:由于能长时间连续工作, 并且能在目标所在地域上空悬停, 可充分发挥球载传感器和电子设备采集数据的能力。
(4) 生存能力强:首先气球的软体结构使其几乎没有雷达回波和红外特征信号, 因此不易被发现。
(5) 机动性能好:车载移动式、舰载移动式系留气球可以机动灵活的完成任务。
(6) 使用成本低:制造一套系留气球的价格远低于同规模的无人机和卫星。据估算, 系留气球的使用成本仅为飞机的5%[4], 使用时, 它可以比飞机降低约30%的能耗和飞行费用。
基于以上独有优势, 使得系留气球受到了越来越多的关注, 广泛的应用于各个领域。
军用领域:主要用于预警与监视。可用作补盲地面雷达站、野战防空、战场监视及海岸和舰艇低空海面警戒系统。作为雷达站, 可代替大量地面雷达站, 特别对低空飞机、巡航导弹具有很强的俯视侦察能力。美空军空中作战司令部己经将其部署在南部边境地区, 同时在对伊拉克、阿富汗的战争也进行了广泛使用。
民用领域:主要应用于电视广播、通讯中继、大范围数据和信息收集等。具体可用于导航、缉私、海事救援, 江河水位和森林防火的监视和气象报警, 因特网通信业务等。美国TCOM公司就将其系留气球通信系统用于收发各种信息。
2 系留气球的发展与应用
探究系留气球的发展, 其首次运用于军事侦察的时间可以追溯至1794年, 当时法国陆军在Fleurus地区的战争中用载人系留气球进行了空中军事侦察。随后, 在第一次世界大战中系留气球得到了较为广泛的应用, 在此期间, 德国、英国、法国、美国共投入飞艇和系留气球446艘。苏联在1917至1921内战期间, 也利用系留气球做了2100余次的升空, 从事观察侦测3500小时, 并从20世纪30年代开始利用充氢气的系留气球搭载长波天线, 与远洋舰艇进行通讯。后来由于充氢气容易起火爆炸, 浮空器的热潮逐渐降温。
20世纪60年代, 随着氦气开发技术在世界范围内的普遍应用, 系留气球的安全性能得以大幅度提高。与此同时, 随着现代计算机技术、微电子技术、高分子纤维材料、航空技术与现代控制技术的发展, 使得系留气球进入了实用化、装备化的新阶段。这一阶段从越战开始, 在此期间美国在南越进行了相关试验, 用以证明系留气球平台作为VHF/FM通信载体的可行性。随后, 美国Westing House Electric公司成立了专门从事系留气球研究的公司。在美国的带动下, 系留气球技术得以迅速发展。
2.1 美国的系留气球
上世纪80年代以来, 美国根据不同部署的需要, 研制了多种型号的系留气球侦察系统, 以下主要介绍最有代表性的三个公司的相关产品[5~6]。
(1) TCOM公司的系留气球。
从1971年至今, TCOM公司已经发展了近40年, 不仅为美国提供了平台系统, 还为世界多个国家提供了相关产品及服务。
主要发展型号有15m/17m/32m/38m/7lm五类 (型号中的数字代表该型系留气球的长度) 。表1给出了主要型号的具体指标参数。
(2) Lockheed Martin公司的系留气球。
Loc kheed Marti n (洛克西德·马丁) 公司, 除了生产战斗机、运输机以外, 公司也同时发展了一系列系留气球产品。
其主要发展型号有56K/275K/420K/595K四类 (型号中的数字代表该型系留气球以立方英尺计算的内部体积) 。表2给出了主要型号的具体指标参数 (表1, 表2) 。
(3) Bosch Aerospaee公司的系留气球。
Bosch Aerospace公司为美国军方打造了许多著名的浮空器产品。其中, 最为知名的是便携式快速充气型系留气球, 以其在伊拉克战争中的优异表现而受到了人们的广泛关注。其主要发展型号有9.5M/23.6M两类。表3给出了其具体指标参数 (表3) 。
以上三家公司几乎垄断了美国军方的所有系留气球任务。美国防部根据需要进行了相关搭配, 将其依次应用于TARS系留气球雷达系统、JLENs国土导弹防御网络传感系统、RAID系留气球快速布防系统、REAP系留气球快速升空系统、PTDS长期反恐监测系统、及MARTS海军空中中继系统。
2.2 俄罗斯的系留气球
俄罗斯从事系留气球研究的时间很早, 但由于国内政治经济等原因曾一度滞后, 目前, 随着Augur公司的发展壮大, 俄罗斯在系留气球方面的研究又得以恢复。
作为一个主要以发展中、大型系留气球系统的公司。截至目前, 其主要发展型号有“Ge Pa r d”车载移动式系留气球、“PUMA”和“JAGUAR”大型系留气球、“DAG-2M”伞兵训练型系留气球, 表4给出了其具体指标参数。
2.3 其它国家的系留气球系统
除了美、俄以外, 以色列、德国、英国、法国、挪威和日本等国在系留气球方面的研究也很活跃。其中, 以色列飞机工业公司旗下的Elta电子工业公司在2003年研制完成了配备有俄罗斯“Kr edo”雷达的“Border Pretection”的系留气球。目前, 正在研制的型号有“空中之星”, 计划部属在北部边境, 取代携带有AN/TPS-63雷达的阿系留气球[7]。另外, “OBS”也是以色列研制的系留气球型号。挪威Tyra Invest AS公司、英国Allsopp Helikite公司和Noesis./Lindstrand公司也提出了自己的系留气球ISR概念, 即一种特殊的情报、监视、侦察及通信平台。将为特种作战部队提供一种经济的解决方案, 可提高执行发现、确定和摧毁敌人以及保护友军等任务的态势感知能力。美国防部已经将其列为2005财年FCT计划, 即外国装备比较试验 (美国会于1980年授权开始实施FCT计划) 中新选定的18个项目之一进行评估[8]。
3 系留气球设计中的关键技术
系留气球是一门复杂的系统工程, 其研究工作与飞机等飞行器有一定的相似地方, 同时也存在着不小的差别, 与飞机等动升力飞行器相比, 国际上和国内对浮空器投入的精力较少, 目前国内的浮空器设计基本上都是借助于航空领域飞机设计的研究成果。但是, 系留气球由于其自身的特性, 与飞机设计的考虑是不能完全相同的。涉及空气动力学、材料学、气象学、电子工程学等多学科多领域。其关键技术主要包括:气动外形设计、囊体材料选择、动态运动特性与稳定性分析、流固耦合分析等。
4 结语
同飞机、卫星等空中平台相比, 系留气球平台具有独特的优势, 国外技术发展渐趋成熟, 无论在民用领域还是军事领域应用越来越广泛, 本文介绍的资料对我国系留气球的研究开发人员具有一定的参考价值。
摘要：本文从系留气球的概念及其性能特点出发, 介绍了国外系留气球的发展与应用情况, 为国内开展系留气球的研制提供一定的参考价值。
关键词：系留气球,发展,应用
参考文献
[1] 张向强.系留气球稳定性和气动分析[D].北京:博士学位论文, 2006.
[2] 蔚翔, 艾勇, 陈晶.浮空平台无线通信[C].北京:浮空器发展与应用学术交流会, 2005.
[3] 杨燕初, 王生.无人飞艇的研究进展及技术特点[C].河南洛阳:第二届中国航空学会青年科技论坛, 2005.
[4] 周如.方兴未艾的军用无人飞艇[J].国防技术基础, 2004.
[5] TCOM, L.P.The Surveillance Solution.htt p://www.tcomlp.com.
[6] Lockheed Martin Announces COTS Aerostat Surveillance Ststem//Com-pany New On-Call.http://www.prnewswire.com/comp/534163.html.
[7] 孙亚力.浮空器用于地面防空武器反巡航导弹需求分析[C].北京:浮空器发展与应用学术交流会, 2005.
[8] 美国防部选定2005财年外国装备比较试验项目报告[R].中国国防科技信息中心, 2005.