臨近空間飛行艇

臨近空間飛行

所謂的臨近空間是指距離地面高度2萬米到100公里之間的區域。和此次中國臨近空間飛艇首飛新聞報導中不同的是，飛機和太空飛行器是可以在臨近空間飛行的，只是時間不能維持太久。實際上稍有軍事常識的人都知道，最大飛行高度超過兩萬米的戰鬥機是相當多的，而且在50年代就出現了。

對於飛行速度非常高的太空飛行器來說，臨近空間的空氣雖然稀薄，但形成的阻力仍然過大了。在臨近空間飛行會使它必須要額外消耗很多燃料來維持高度，否則就必須返航或者在大氣層中墜落燒毀。

對飛機載人飛機來說，它要在座艙內維持足夠的氣壓，保證飛行員的生命安全；因此要從發動機壓縮空氣的過程里，抽取大量空氣送進座艙。整個這一類設計的工作極限，就只能到2.5萬米，因為空氣密度已經只有海平面的1/40了，工作效率已經低到臨界點了。再往高就必須採用宇宙飛船式的全封閉設計。

人類不僅沒有造出過能在2.5萬米附近長期飛行的飛機（這個高度和以上的記錄，都是飛行員玩命短時間衝刺的結果，無法停留），實際上要維持在2萬米附近長時間都非常難。空氣密度低到地面的1/14，使飛機需要很高的速度才能維持足夠的升力，抵消自身的重量；而發動機又損失推力特別大，要多燒好多的油。

衛星維持軌道高度需要燃料，這常常是它壽命的關鍵原因

要長時間（最低數天以上、長則一年以上）維持在1.8萬米到3萬米之間（再高就超出現在人類的科學工程技術水平了）高度的有動力飛行，目前唯一可行的方法，就是利用飛行器自身的浮力來克服重力，飛行的動力由太陽能電力系統提供（這樣可以把重量減少到最小）。

我國此次放飛的臨近空間飛艇，就屬於這類設計。它通過在氣囊內灌充非常輕的大量氦氣，使整個飛艇的密度比2萬米以下的空氣還小，因此維持兩萬米高度本身不需要額外的消耗動力。

臨近空間飛艇

相對於飛機和衛星來說，飛艇在性能上有三大優勢。第一是在同一地點的維持存在時間極長，第二是使用費用低，第三是探測能優勢明顯。這使它在通信中繼、對地監控、防空警戒上有著非常大的潛力優勢。

由於距離遠、功率有限，通信衛星的頻寬不僅昂貴而且資源緊缺。而現在的軍事偵察手段對於頻寬的要求正在越來越高，比如全球鷹這樣能實時發揮大量高清照片和視頻的戰略偵察機，只要幾架，就能在數千平方公里以內消耗掉所有的衛星通信資源；再增加數量，就只能擠占其它系統的份額了。

而臨近空間飛艇可以攜帶通信中繼設備，極大的緩解通信衛星的工作壓力。早在2003年，美國空軍的空間戰實驗室，就在名為“攀登者”的試驗飛艇上實現了三萬米高度的初期試驗。除了懸浮、降落、返航等基本飛行控制功能的驗證外，最主要的就是通過攜帶的45公斤重的通信和監視設備，完成通信中繼和對地監控任務能力的驗證。

此外長時間的高空滯留能力，也使它在對地和對空監測上有著特彆強的潛力優勢。2006年，美國空軍科學諮詢委員會發布題為《在臨近空間高度持久存在》 的報告， 對臨近空間平台建設發展進行了中長期規劃。

其中“感測器與結構一體化（ISIS）”飛艇，設計重點就在於利用飛艇搭載大型相控陣雷達，利用高度優勢，針對伊拉克、台灣海峽、伊朗進行戰時監控。根據論證結果，一艘ISIS定點在伊拉克中部，就能覆蓋伊拉克全境；定點在菲律賓北部的呂宋海峽上空，就能覆蓋台灣海峽、台灣島、台灣以東海面。

但就目前來說，受限於能源等問題，真正能做到7天/24小時不間斷的高精度監視（信息精度達到火控級別，能直接用來引導飛彈等武器攻擊目標），發揮滯空和高度優勢的飛艇，還只能是停留在中空的系留式飛艇。它可以通過與地面之間的電纜來滿足探測設備的需要。

技術難點何在

總的來說，臨近空間飛艇有很大的軍用潛力，但是目前還受制於很多技術上的障礙，不能真正的實用化。目前最主要的難點在於材料、能源、動力/飛行控制三個方面。材料比較好容易理解，飛艇的骨架、氣囊、外殼這些部件都要越輕越好，因為它們都是死重，要擠占各種設備的重量。

尤其是飛艇在兩萬米高度時，空氣密度非常低，增重1公斤，就要至少10立方米以上的氦氣囊體積來維持平衡。高度越上升，載荷能力越差——從2萬米到2.5萬米，空氣密度從海平面的1/14急劇下跌到1/40。

現階段太陽能電池板的效率還是太低了

其次是能源，由於要嚴格控制重量並維持長時間工作，因此飛艇的主能源系統不能使用消耗燃料的供能方式，也不能用一大堆電池——別說飛艇，純電動汽車現在人類都只能造出大玩具級別的東西。它只能依靠太陽能來發電，而現階段的太陽能發電板/薄膜效率都不怎么高。

美國空軍和國防高級研究規劃局聯手的ISIS飛艇研製之所以暫停，關鍵的原因就是上面這兩個問題。它一方面要把設備重量和飛艇自身空重的比例從2%提升到40%——這真是何等喪心病狂的規劃，以至於飛艇結構研製目前根本達不到這樣的高要求；另一方面的問題，就是它搭載的大型相控陣雷達需要的高功率電力，目前的飛艇能源系統根本提供不了。

從動力/飛行控制上說，2萬米高度上氣流一般很穩定，但風速較大，平均在10米/秒左右，最大能到40米/秒。飛艇由於自身體積特別大，因此受到風力作用形成偏航、沉浮、翻滾的趨勢也特彆強烈，要用很有限的重量和動力功率去克服這些問題，難度非常的高。

飛艇國際水平

在臨近空間飛艇領域，總體設計水平最高的是美國，材料水平最高的是日本，此次我國放飛臨近空間飛艇也並非全球首例。美國在21世紀以後投入了近百億美元規劃了數十個浮空飛艇項目，其中2007年後立項的臨近空間飛艇重點項目就有4個，陸海空三軍都有各自的獨立項目。在2005年時美國陸軍的HiSentinel飛艇就已實現超過2.26萬米高度的長時間持續動力飛行。

除開美國以外，日本在臨近空間飛艇的研究水平上也很高，尤其是在材料領域。事實上現在美國、歐洲的臨近空間飛艇關鍵的核心原材料，都大量依賴日本提供。比如臨近空間飛艇的蒙皮，必須使用多層複合設計才能同時滿足耐紫外線照射和大溫差、防止氦氣滲漏等多種要求；而承力層的材料，就必須採用重量極輕的高強度纖維來紡織布料。

目前最好的材料是PBO（聚對苯撐苯並二惡唑），能將PBO做成纖維、並工業化生產的，全世界範圍內只有日本。而日本所有PBO纖維的銷售，全部被美國所控制，基本全部用在了航天航空和飛彈製造業上。我國目前一些公司和高校已經能拿出PBO纖維的樣品，但性能有限而且距離工業化生產還有非常大距離。

2013年，哈工大、航天六院46所、科學院套用化學研究所等單位，聯合發表了關於臨近空間飛艇蒙皮的國內現狀分析和總結論文。明確表示，國內對於這方面的研製起步晚，而且現在真正投入研製工作的單位很少，產品性能和國外差距很大，重要原料全部依賴進口。

而國產材料的未來發展，目前還嚴重受制於基礎研發體系的不完善。比如我國目前沒有針對這方面建立起成熟、標準的試驗分析和表征方法，對於材料耐受紫外線、溫差、水蒸氣等條件後的性能變化機制搞不清楚，對於如何材料如何阻止氦氣泄露的機制也不清楚。