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古代浮空器军事利用

古代浮空器军事利用

来源:www.137.com | 时间:2017-10-04

现代浮空器军事应用

古代浮空器在军事应用中最成熟、最广泛的是系留气球。本文先容了系留气球相对于其他飞行器的优势,梳理了系留气球在军事应用中的主要作用,罗列国外典型的系留气球系统;对系留气球的生活能力停止评价,剖析了国外平流层飞艇在军事应用中的近况,最后对浮空器停止瞻望。

浮空器在军事领域的应用有着长久的汗青:1794年,在法国大反动中,法军初次使用系留气球停止地面侦察。1870-1871年普法战争,交兵单方曾经开始大量使用系留气球停止侦察,被围困的城市也发现用气球超出朋友的封闭线传导新闻的方式。飞艇可谓人类战争中最早的“空军”,1914年,德国海军的飞艇就飞行在海面上执行巡查任务;1915年终,大发888客户端下载,2架“齐柏林”飞艇轰炸英国;1917年开端,美国海军亦使用各种飞艇执行海上巡查和舰队侦察任务。在第一次世界大战前期,由于战争促使的航空产业飞速开展,浮空器在军事领域的应用由防御转为防御。第二次世界大战中仍然有大量浮空器特别是系留气球用于高空防空,其中最有名的是诺曼底登岸战斗(图1)。

图1  诺曼底登陆中的防空气球

直到地面轰炸机的呈现,防空气球才从疆场上匿影藏形。暗斗停止后,美国屡次参与的部分战斗都属于典范的非对称战役,例如在伊拉克和阿富汗,防空力气已基础不复存在,使得具有无限自卫功效的飞翔器可能在不布防的国土上空简直不连续地飞行。在这些国度,还特殊须要用连续一直的空中才能完成对空中目的的监督与侦查从而获取谍报以及无限度的导弹攻打,美国国防部抉择大批使用系留气球来履行此类义务。这些浮空器的续航时光从多少天到几周不等,今朝美国曾经在伊拉克和阿富汗安排了上百套系留气球体系(若斟酌备份、破坏后再修复及损毁后再从新出产的系统,其应用数目弘远于上述统计数据),用来维护在外地的驻军。

现代军用系留气球系统

 

系留气球主要包含气球本体、系缆、锚泊系统3局部。气球的软式气囊内充氦气或氢气发生静浮力升空。气球可以安装预警雷达、通信装备、红外摄像机及电子通信等不同类型的监视探测设备。系缆是为了束缚气球停留在冀望的高度,外部有导线与光纤,前者为气球所搭载的各类载荷提供电力,后者可将传感器失掉的信息传递至空中接受站。正由于系留气球大多采用空中设备供电,其续航时间才不受动力的制约,与其他飞行器相比拥有明显优势。锚泊系统装备有绞盘,可经过施放或回收系缆掌握气球的上升与降落。系留气球还需要车辆与空中节制站停止机动部署,并将取得的情报整合处理,分送至相干单元。系留气球的优点除了任务载荷可按需灵活搭载,其布设平台的弹性也很大,在海洋、船舶上都可布放。

美国系留研制方面最具代表性的公司分辨有:TCOM、Lockheed Martin、RAVEN、Bosch Aerospace等,其中系留气球领域的王者当属TCOM公司(图2),TCOM公司获得了美国大部分军用系留气球平台研制的订单。

图2  TCOM 公司的球库

以TOCM公司的28M?系留气球系统(图3)为例介绍系留气球系统的组成及功能。典型系留气球系统由系留气球平台和载荷构成,包括球载和空中设备,球载载钱袋括雷达、惯导、GPS、光学/红外相机、播送中继等(图4)。不同载荷可以安装于球体不同位置。经过系缆供电并传输数据。TOCM 28M?系留气球长度28 m(TCOM型号均以长度定名),球体体积1600 m3,设计抗风能力25.7 m/s,最大抗风能力36 m/s。载荷质量375~675kg。载荷供电能力5 kV·A@900 m、3 kV·A@1500 m。

图3 TCOM 28M?系留气球

图4  TCOM 28M?系留气球系统组成表示

TCOM公司的28M?系留气球系统经过集成情报、监视和侦察载荷(intelligence,surveillance,reconnaissance,ISR),在900~1500 m的地面提供ISR数据的能力,使其能够担负更大范围的监视侦察及通信中继/广播任务。

系留气球长处

 

侦察能力强

球载监视系统可升空至3000m的地面,相比空中监视系统,受地球曲率影响小,能够停止超地平线探测,打消正常山、海基雷达存在的探测和制导盲区,还能超出山岳限制,摸索山谷内的目标。球载监视系统笼罩范围广,当气球升空高度达到3000 m时,对飞行高度50 m的目标,其监视间隔可达到255 km,是空中雷达的5.7倍,监视面积达到2.8万km2,是空中雷达的32.5倍。系留气球对巡航导弹、超高空雷达的探测具备显著优势,有较强的侦察能力。

续航时间长

系留气球的动力可以经过与系缆集成在一同的电缆光缆从空中供给,无需气球上携带,与其余飞行器比拟大大延伸了滞空时间。图5即为系留气球与固定翼飞机的留空时间对照。系留气球可滞空一个月,远远高于载人飞机和无人机缺乏一天的飞行时间。即便与其他中高空浮空器(lighterthan-air,LTA)相比,在滞空时间上也存在显明的上风。而其一次性滞空多日也完成了持续监控的目标。

图5  ,大发888客户端下载;系留气球与固定翼飞机的留空时间对比

效费比高

因为系留球动力由空中供应,使用惯例电力即可,如许大年夜勤俭了飞行器的动力成本,也节俭了飞行器需要携带燃料带来的附加本钱。加之系留系统可依据军事需要机动换装分歧载荷,又可收受接管反复使用。综合看效费比拟高,制作一套系留气球的价钱远低于同范围的无人机和卫星。据预算,系留气球的使用成本仅为飞机的5%,使用时,它能够比飞机下降约30%的能耗。

系留气球军事应用

 

ISR

目前,战场侦察监视主要依附卫星和无人机等,侦察卫星的重复侦察周期较长,无法停止及时持续不连续的战场监视;无人机则存在留空时间限制,难以完成长时间对地观测。浮空器可以根据作战任务的要求,快速部署到战场邻近空域,执行长时间、不连续的ISR任务,且其不雅测成本低、空间和时间辨别率高、观测范围大,可无效晋升战场态势感知能力,因此系留气球在ISR领域的军事应用十分广泛,型号浩繁。

常规流线构型中型系留气球。2003年2月,由TCOM研制的第一套快速浮空器初始部署系统(rapid aerostat initial deployment,RAID)交付美国军方(图6),并在2003年3月部署到阿富汗,其目的是为覆盖区域提供速决、全景的观测,对潜在威胁和其他对情报目的有价值的事情产生时能够及时忠告,为美军部队在地形复杂的地区顺遂行为提供了强无力的情报支持。RAID系统使用的系留气球长度49ft(15 m),体积10200 ft3(289 m3),载荷200 lb(90.7 kg),应用一台黑色昼间照相机、一台红外黑白天/夜拍照机和一台激光测距仪(带有一个方位唆使器,可准确定位12 km或更远的目标)为美军提供持续的360°视角的战场情报覆盖,其滞空时间长达30天。RAID采用的TCOM 17M系留气球平台,凡是飞行在1000 ft(305 m)高度,可覆盖半径数十千米的空中区域。在阿富汗,RAID执行了地区监视和部队掩护任务以应对轻武器、迫击炮和火箭的威胁。

图6  TCOM 17M 锚泊状态

自2003年第一艘RAID系统交付以来,超越60艘系留气球平台和300套RAID系统(图7),作为持久监视和宣扬系统(persistent surveillance and dissemination systems,PSDS2)的一部分,部署在伊拉克和阿富汗。RAID系统的飞艇简单适用,生活能力很强易回收易颐养。只管RAID系统较小,所执行的任务的重要性也不及导弹探测和预警,但是RAID在阿富汗获得了重要教训,这些对于将来的系留气球用户异常有利。RAID系统的使用促使了TCOM公司22M和28MTM系留气球平台的研发。

图7  快速浮空器初始部署系统(RAID)及其携载的侦察设备

相似RAID的系统还有长久空中监视系统(PGSS)、照片目标侦察系统(PTDS)等,均被美国水兵或陆军大量洽购用于军事范畴ISR。这些系统采取的系留气球平台由TCOM或许洛克希德·马丁等不同公司生产,就体积而言个别为中型系留气球,其驻空时间从两周密一个月不等,搭载了不同的ISR无效载荷即形成了不同的任务系统。此类系留气球系统相对大型、超大型系留气球灵活性强、部署轻易、成本低;绝对小型系留气球滞空时间长、牢靠性高、带载量大又可灵巧安排载荷。因而此类系留气球系统在军事举动中失掉普遍运用。

小型主动充气疾速部署系留气球。美海军研究办公室和美陆军火材司令部(Navy's Office of Naval Research and the Army's Materiel Command)为伊拉克作战而结合开辟了快捷发放浮空器平台(rapidly elevated aerostat platform,REAP),如图8、图9所示,REAP使用的系留气球长度31 ft,体积2600 ft3,载荷35 lb ,驻空高度300 ft,滞空时间10 天,搭载光电/红外载荷。“REAP 虽小,五脏俱全”,同常规系留气球系统类似,REAP艇体具有尾翼、主气囊、副气囊,锚泊系统具有扭转平台、绞盘、锚泊杆和光电集成线缆。REAP最大的优点是可以在5 min内从高机动多用途轮式车(HMMWV)的后部自动充气部署,能携带日光/微光照相机。当漂浮在300 ft高度时,REAP上的传感器能覆盖半径18英里(28.97 km)的空中区域。

图8  倏地空中浮空器平台

图9  REAP 各分系统

与REAP类似的自动充气部署小型系留气球还有TCOM 12M。由于其机动灵活,自动充气操作极端方便,颇受驻守在伊拉克和阿富汗美军基地的一线美军兵士青眼。

非常规构型系留气球。以色列RT技术公司研制了一系列Skystar系留气球,包括Skystar100、Skystar180、Skystar220、Skystar250、Skystar300,以及最新款Skystar330。目前,RT气球系统已被以色列、阿富汗、墨西哥、泰国、加拿大及俄罗斯使用。对典型的单兵系留气球Skystar100和战术级系留气球Skystar300停止介绍。

Skystar100单兵系留气球系统(图10)是一种仅依靠两人即可实施操作的高空浮空平台系统,系统主要包括球体、系缆(含供电、数传)、绞盘、气瓶、载荷及其控制吸收安装组成。全系统打包至一个或两个背包中,由单兵背负。气球直径2.8 m,体积约12 m3,系统总重8 kg,载荷品质2.5 kg,升空高度100 m,探测范围1000 m,目标辨识范围500 m,可以拍摄高清的图片和视频。

图10  单兵系留气球Skystar100 系统

在2014年7-8月加沙边疆的抵触中,以色列沿边境部署了13 套Skystar300 系留气球系统(图11)。该气球直径7.7 m,体积100 m3,部署时间仅需要20 min。该系统可以在350 m高度搭载50 kg的载荷,连续任务时间达72 h,抗风能力达到20 m/s。

图11  以色列Skystar300 战术级系留气球系统

与RT技术公司的Skystar系列类似,还有SkySentry公司的TEA-45,Carolina Unmanned Vehicles 的STMPAS,AllsoppHelikites Ltd的Skyhook系列、Skyshot系列、Desert Star系列和RescueMarker系列等此类无比规构型系留气球系统。此类系留气球一般为椭球形,无副气囊,靠稳固风兜或带龙骨的“帆”调剂球体内压力并稳定球体。体积一般在100 m3以下,相比常规流线构型的系留气球,体积面积比较高,异样载荷能力的条件下,愈加轻盈紧凑、容易部署,只要1~2人操作即可,升空高度在300m以下。

通信中继

常规空中无线电系统受地形限度,传布范围无限;卫星传输空间损耗较大,难以完成小天线、低功率传输,给边海防通信建立和重点地域应急通信保证带来很多艰苦。大型浮空器可作为战场中地面通信中继平台,可为空中、海面、高空对象提供宽带高速抗烦扰及超视距通信能力,对深谷两侧或海上机动军队间的通信提供中继,扩展了无效作战空间,对保证战场上各战役小组间的接洽起到重要感化,对稀路由、大容量、大规模的军事通信有主要意思。

在伊拉克战争中,美国海军陆战队提出了视线外低造价甚高频/特高频(VHF/UHF)中继通信的请求。2005年,首套美国海军空中中继系统(MARTS)部署至伊拉克,如图12所示,主要用于坚持美国海军陆战队与批示核心之间的通信联系,为海军陆战队的超高频/甚高频无线电、单信道空中/机载无线电系统(SINCGARS)、增强型定位和呈文系统(EPLRS)及一般的模仿无线电提供中继。MARTS系统使用TCOM公司的32M系留气球平台,球体长度105 ft,体积63000 ft3,载荷500 lb,高度3000 ft,滞空时间15天,搭载设备包括中继AN/PRC-113,AN/PRC-117、AN/PRC-119(SINCGARS)和EPLRS(增强定位和报告系统)无线电台的应对机等。MARTS飘浮高度约1 km,在风速达22 m/s的状况下仍能保持沉没,能够蒙受小型火力冲击,经过一条光纤与指挥中央保持连通状态,并经过其配备的发射机将指挥职员的指令高速地传输入去。由于MARTS复杂的无线电和电源设备都安装在空中站中,气球上仅装有简略且可靠性很高的收发机,因此易于保护,系留气球需要每隔15天弥补一次气体。

图12  海军空中中继系统

平安预警

随着目标隐身技术、综合电子干扰技术、超高空突防和反辐射导弹技术这“四大威胁”的迅猛开展,保险预警能力面临重要挑战。浮空器装载预警雷达和光学探测设备构成预警探测平台,可扩大雷达视距,进步雷达覆盖范围和对高空、超高空目标的探测能力,与卫星、预警飞机等一同组玉成方位、全天候的预警探测系统,远距离探测、跟踪来袭的各类目标,查明其航向、航速等情况,并停止目标识别,在防空反导作战中施展重要的作用。

联合对地攻击巡航导弹防备空中组网传感器系统(joint land attack cruise missile defense elevated netted sensor system,JLENS)的主要用处是辅助驻扎在国外的美国部队应对不断增加的巡航导弹要挟,其上装置的雷达能供给超视距监视(图13)。一套JLENS系统由两只系留气球组成,此中一只上装有近程监视雷达,能停止360°监控,同时可跟踪数百个目标;另一只上装有装载了高机能的火控雷达,同时可应答几十个威逼目标,而且两只气球的雷达系统中都有敌我辨认讯问机。每只气球拴系在一个空中机动系留站上,并经过一根光纤/电力系缆衔接到空中处置站。监视雷达停止初期目标探测,而后将数据提供给精准跟踪与照明雷达,后者停止火控精度的跟踪。JLENS系统曾经与联合战术系统、联配合战能力、单通道空中/空中无线电系统以及加强定位讲演系统集成到一同。

图13  JLENS 系统

图14在部署能力、定点续航时间、战场生活能力、气象依附性、性命周期成本、系统累赘能力等方面将JLENS系统与固定翼飞行器停止对比,如果能与固定翼飞行器联合组网将到达最佳效果。

图14  联合组网后的应用后果比较

JLENS系统使用了TCOM 71M系留气球平台,球体长度233 ft,体积590000 ft3(16706 m3),载荷5000 lb(2268 kg),高度10000~15000 ft(3048~4572 m),滞空时间30天(图15)。

图15  JLENS 系统使用的TCOM 71M 系留气球平台

2012年2月,JLENS系统在犹他州试验练习场停止了进一步测试,成功证实了JLENS系统探测跟踪巡航导弹目标和为空中防空火力提供火控的能力,并展示了作为通信中继和提供敌我识此外能力。2012年4月26日,在犹他试验训练场洛·马公司的PAC-3 导弹成功拦阻并捣毁了巡航导弹目标,用JLENS系统和爱国者系统展现了史无前例的互操作性和超地平线探测、跟踪和提供火控的能力。

2012年6月,Raytheon公司在美国大盐湖成功停止了一次试验,演示了联合对地攻击巡航导弹地面网络化传感器对水脸孔标的监视能力,JLENS系统将在不远的未来在战略水域为美军兵士提供保护。试验中,JLENS系统同时探测并跟踪了水面上的多艘快艇。这些快艇的特点与友好国家海军舰船相似,并可模拟这些舰船在高度威胁环境下做出的战术机动举措。2012 年9 月21 日,Raytheon 公司成功演示了JLENS 系统对海疆、陆地目标停止综合防御监视能力。JLENS系统的火控雷告竣功捕获并跟踪到反舰巡航导弹目标,并经过协同作战能力传感器收集系统将信息传送至海军,海军随后向目标发射了一枚尺度-6(SM-6)导弹,SM-6的各项信息经过JLENS 系统发送至宙斯盾武器系统,直到SM-6雷达能够捕捉和跟踪目标。

2013年2月,在美国新墨西哥州白沙导弹靶场停止的一系列试验中,JLENS系统演示了其战术弹道导弹防御能力。利用所携带的X波段雷达,JLENS探测并跟踪了4枚处于助推段的弹道导弹模拟弹(连续发射2枚,自力发射2枚),并满意了一切的试验目标,包括停止发射点估量、弹道跟踪和识别等(图16)。这些模拟弹的弹道与寰球高威胁地区的敌军战术弹道导弹可能的飞行弹道类似。

图16  气球腹部防风罩内安装的是球载雷达系统

系留气球生活能力

 

攻击耐受性

良多人会质疑系留气球在军事上应用的耐受性,即使是在伊拉克和阿富汗这样低烈度的战场情况,在朋友轻武器火力的攻击下,系留气球能否可以生活。

现实上,系留气球使用的材料与乳胶材料一模一样,即使遭到枪击,也不会将全体资料一撕两半,而仅仅是破了一个小洞,升力量体的泄露速度很小,遭到攻击后能够有富余的时间停止回收修复,在特定情况下,大发888客户端下载,可以在孔洞上贴上防水密封胶带继承使用,即使在野外也可以实现这种维修。

并且,假如用常规轻兵器对系留气球停止袭击,无效射程仅在900 m以内,而系留气球的专长就是ISR,高度300 m的系留气球就可以监视半径15 km的范畴,如果友好分子用轻武器对系留气球停止攻击,那大少数情形下他曾经裸露了本人的地位,这种攻击无异于“自残式攻击”。实践上,在阿富汗和伊拉克部署的美军系留气球系统较少遭到友好权势轻武器攻击,系留气球监视系统甚至成为美军驻地的一种威慑性装备,朋友往往避之不迭,不敢贸然侵犯。

抗风能力

军事上应用的系留气球系同一般都部署在野外,无球库之类的掩蔽设备,所以抗风能力是一项重要目标。不同的气球因体积、构型、环境顺应性等要求的不同,其抗风能力天壤之别。小型的系留气球系统锚泊设备相对简单,系缆及球载系统寻求轻巧,抗风能力较弱,但其部署便利,可以根据天色预告情况快速撤收,防止微风对其形成损坏。中大型系留气球系统的锚泊设备、系缆、连接件结构等强度较高,具有全体较高的抗风能力。根据体积巨细,系留气球分类及其性能如表1所示。


   表1  系留气球分类及其性能对比表

普通而言,系留气球体积越大,无效载荷能力和抗风能力越强,升空高度越高,系统越庞杂,所需配套设备越多,造价越高。

平流层飞艇

 

平流层是指20~50 km的大气层,这里景象前提下比较稳定,日照时间长,并且处于大少数战斗机和防空系统的射高范围之外,合适飞行器长时间驻留。平流层飞艇与卫星与飞机相比具有较多的优势,与前者相比,平流层飞艇距离空中较近,载荷相对较大,并且可以失掉较高的分辩率。与后者相比,平流层飞艇距离空中高度较大,目前预警机对地的雷达视距大概在400 km,而平流层飞艇最多可以达到1000km,是前者的2倍摆布。平流层飞艇在军用方面可以作为具有军用通信、近程侦察、情报、导航、预警等功能的通用平台,具有可定点飞行、留空时间长、探测范围广、载荷能力强和效费比高级优点,领有极高的策略价值。正因为具有以上特色,这一律念一经提出,美、俄、欧、日等国当局机构、军方、研究机构、高等院校等先后启动了平流层飞艇研发任务。

2002年10月,美国导弹防备局(Missile Defense Agency,MDA)启动HAA(high altitude airship)名目,在后来的几个研究阶段合同均授予了洛克希德·马丁公司。

HALE-D(high-altitudelong-endurance demonstrator)是HAA 的缩比试验艇,直径约21 m,体积约1.8 万m3,携带约22 kg的摄像机和通讯转发器,可达到18~21 km的平流层高度并逗留15天,艇体由流线型旋成体艇囊和“X”型充气尾翼构成,艇体内置氦气囊和空气囊,用于浮力与压力把持,艇体名义采用热控涂层技巧缓解辐射受热成绩。

2011年7月27日,美国军方跟洛克希德·马丁公司在俄亥俄州实行了HALE-D平流层验证艇的首航试飞(图17、图18)。当HALE-D平流层验证艇降低到约9.75km的高度时,因为排气阀被冰冻,无奈实时排气形成艇体超压决裂,净浮力缺乏,无法持续回升,实验宣布掉败。

图17  HALE-D 出库

图18  HALE-D 腾飞后

集成传感器即结构项目(Integrated Sensor Is Structure,ISIS)是2006年4月启动,由美国国防部高级研究打算局提供经费支撑,美国空军研究试验室(AFRL)担任实施和治理的一个平流层新概念ISR飞艇的预研项目。飞艇采用了艇体/传感器共型结构设计的方法,携带一个与艇体尺寸相称的巨型雷达,完成对空中和空中目标的持续监视能力。

ISIS 飞艇的重要技术目标为:艇长300 m,构造分量5500 kg,任务高度20~21 km,天线高度36 m,天线直径50.5 m,UHF孔径面积5725 m2,UHF单元数量42365个,X波段孔径面积5725 m2,X波段单位数量2030万个。

ISIS飞艇(图19)所需的几项症结技术均已获得冲破,然而在系统集成和功能验证方面仍面对宏大挑衅。超大面积柔性天线阵列的制造精度、天线阵列的校准与弥补及动力保证等,都将是ISIS飞艇必需处理的严重困难,目前该项目飞行验证曾经多次延期。

图19  ISIS 飞艇

平流层飞艇研制是一项极为宏大的系统工程,波及的各方面技术均无太多的胜利经验可鉴戒,各国正处于关键技术攻关阶段。一旦技术成熟,进入工程实用阶段,必将在军事领域显示其伟大价值。

论断与瞻望

 

系留气球作为一种成熟的防御性武器装备,利用其续航时间长,ISR覆盖范围大的特点,在低烈度非对称军事矛盾中发挥了重要的作用。

阿富汗、伊拉克战争结束,美国从战地撤军后,战时用于保护军队的球载监视系统并不因为撤军而被撤除。除一部分继续在海内停止反恐与军队保护外,另一部分正在逐渐转换本能机能,从国防安全向领土安全改变。2013年,系留气球雷达系统(tethered aerostat radar system,TARS)由美国空军转为美国海关和边境保护局(CBP)担任运转,凸显其国土安全任务。

平流层飞艇在军事上的价值不言而喻,但受制于某些要害技术的限制,目前各国均尚未达到成熟的工程化应用。跟着航空航天技术近些年飞速开展,假以时日,平流层飞艇必将接力系留气球,成为下一代军用浮空器中的王者。

参考文献(略)

(义务编纂  刘志远)

本文作者: 黄宛宁,栗颖思,周书宇,张泰华。

作者简介 :黄宛宁,中国迷信院光电研究院,高等工程师,研讨标的目的为浮空器遥测遥控、无效载荷利用。

注:本文宣布在2017年第15期《科技导报》,欢送存眷。本文部门图片来自互联网,版权事宜未及落实,欢迎图片作者与咱们联系稿酬事宜。

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