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接上篇《盾和蛋之间的那点事(四十四)——深入篇(二十四)》(原文链接:http://bbs.tiexue.net/post_12297032_1.html)。根据网络消息,在最近刚结束的2016年第十一届珠海航展期间,中航通用飞机有限责任公司和法国飞鲸控股公司共同宣布:中法合作的60吨重载飞艇LCA60T项目正式启动。这个消息意味着我国将通过国际合作来打造自己的大型、超大型飞艇,并且有可能借此机会进一步发展我国的浮空飞行器技术,无疑是一个振奋人心的消息。值得一提的是,这种大型浮空器不但可以用于民用领域的特殊运输,而且在军用领域尤其是军事侦察领域也有着巨大的应用潜力。本篇将借此机会谈一下这种特殊的预警/侦察系统——浮空器预警系统的原理和性能特点。

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浮空飞行器的出现比飞机还要早,1783年法国就诞生了世界上第一个有人驾驶的气球,并且早在拿破仑战争时期气球就已经被用于军事用途,一战时期德国建造的“齐柏林”飞艇更是颇具传奇色彩,可谓声名赫赫。在第二次世界大战中,飞艇也发挥了重要的作用,美国海军曾利用飞艇进行侦察、搜索、扫雷、巡逻以及营救等任务,并且取得了较好的使用效果。不过二战结束后,随着大型客机、运输机技术的发展,以飞艇为代表的浮空器平台在一段时期内并不受人重视,随着相关技术的发展,浮空飞行器的一些缺陷得到明显改善,而浮空器平台所具备的独特优点又重新受到了人们的关注,尤其是浮空器在侦察和监视方面的优势得到了广泛的肯定,并受到了世界各军事大国的普遍重视。当浮空器搭载了对空/对地监视雷达后,就可以摇身一变成为浮空器预警系统,可以对传统的预警机起到很好的补充作用,包括美国、以色列、印度、巴基斯坦以及中东国家在内的许多国家都已通过自研或外购的方式发展出自己的浮空器预警/监视系统。浮空器用于预警和侦察时可以对其他平台起到很好的补充作用,我们知道,地面雷达的持续探测能力很强,但因为地球曲率的原因而导致了探测范围受限;空中飞行的预警机探测范围大,但难以长时间留空而导致持续探测能力不足;卫星的探测范围很大,也能实现对相关目标的持续探测,但卫星的造价和发射费用十分昂贵,形成可靠战力耗时漫长。可见,预警浮空器能弥补地基、空基和天基探测系统的各种不足,可以与各种探测平台形成互补的作用,发展前景十分看好。

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

浮空飞行器

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

浮空器在军用和民用领域都可以起到重要作用

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浮空器预警系统主要可以包括两类:气球雷达系统和预警飞艇。这两种浮空器都是通过在内部填充密度小于空气的气体,如氦气、氢气、热空气等,产生浮力以使浮空器升空。其中氦气和氢气的密度最小,浮空器在同等体积下产生的浮力最大,但由于氢气具有易燃的特点,使用时的危险性较高,难以推广使用,因此用氦气进行填充是一个较为理想的选择。同样为浮空器,气球雷达系统和预警飞艇的区别主要在于,气球雷达一般通过缆绳与地面设备系连在一起,是一种在空中固定不动的雷达系统,而预警飞艇则自带有动力系统,既可以长期定点悬停,也可以实现跨区域的机动布署。而且预警飞艇通常体型巨大,长度可达数百米,尤其是平流层飞艇的设计飞行高度可达20000米以上,无论是探测范围、载重能力都比气球雷达具有明显的优势,甚至比通过大型运输机平台改装而来的大型预警机还要有优势,比如前文提到的中法合作的LCA60T大型飞艇就可以一次装载60吨的超大尺寸货物,这种载荷水平已经相当于运-20这类大型运输机。而气球雷达是通过缆绳系留在地面的,由于缆绳的强度是有限的,我们知道空中是存在气流的,在大风天气下很可能会因为缆绳断裂而导致气球逃逸。而且根据大气的特征,海拔高度越高,大气的密度就越小,气球要保证足够的浮力就必须进一步增大体积,否则就会使系留缆绳承受的载荷增大。简单点讲就是气球飞得越高,气球的载重(承载的任务载荷)越大,气球的体积也就更大,你就需要一根更粗更壮、且具有良好弹性的绳子,才能保证气球能一直系着而不被风吹走。所以与大型飞艇相比,系留气球除去自身的重量以外能够携带的任务载荷比较有限,只能配备小型监视雷达,重量通常在1吨以下,并且升空高度也明显比大型飞艇要低,通常只有几千米的高度。由上可见,气球雷达系统无论是雷达性能还是留空高度,都导致了它的预警探测能力相比预警飞艇具有明显的劣势,气球雷达系统与预警飞艇之间的关系可以简单理解为预警直升机与大型固定翼预警机之间的关系,并且两者之间的功能定位也存在着一定区别。

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

系留式的气球雷达系统

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

大型预警飞艇

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

气球雷达系统即利用了我们在日常生活中常见的气球的原理

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

飞艇的运载能力是很可观的

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先看气球雷达,气球雷达系统主要由以下几部分组成:气球球体、雷达载荷、系留缆绳和地面锚泊车。由于气球雷达对天气条件比较敏感,因此通常还要配备相关的气象监测设备。气球的内部通常填充的是氦气,而氦气的分子半径小,较其它气体更容易扩散,因此气球囊体材料的设计尤其重要,如果氦气的泄露速度较快的话,气球将不得不经常进行氦气纯化工作,这将直接影响到气球的持续留空时间,导致气球雷达的有效工作时间下降。气球囊体材料应该满足高强度、高气密、轻质量和耐久性的要求,囊体的接缝处也会加大氦气的泄露量,因此气球囊体的加工质量也是很重要的。对于气球上搭载的雷达,则要求控制重量,因为前文讲过了,系留气球的有效载荷通常是十分有限的,对搭载雷达的重量要求较为苛刻,因此多采用的是机械扫描雷达,而且其他的任务载荷如光电、通信等设备的搭载也会受到限制。系留气球的缆绳的设计难度较大,这是因为气球雷达无论是供电还是雷达信号处理都不是在气球上完成的,而是在地面完成,因此气球雷达的缆绳不只是一条用于系留的普通绳子,而是在内部装有供电线路、信号传输光纤和雷电泄放线路的一条特殊缆绳,系留缆绳不但要能够保证这些内部线路能够长时间正常工作,还应有足够的强度和弹性以保证气球在大风条件下不会脱离束缚而逃逸。气球雷达与地面的数据传输与遥控手段除了缆绳内部的光纤外,还可以采取数据链通信的方式,但这种方式的数据传输速率有限,也有可能会受到干扰,因此通常作为备用通信方式使用。

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

气球雷达系统主要由气球球体、雷达任务系统载荷、系留缆绳和地面锚泊车等部分组成。

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

气球雷达通过缆绳与地面进行信息传输

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与预警机相似的是,气球雷达不受地球曲率和复杂地形的遮挡和影响,有利于扩展雷达的视距以及探测低空目标。但气球雷达系统相比预警机的一大优点是留空时间长,气球雷达由于不需要飞行所需的燃料,可以持续不间断的留空并工作数周的时间。比如美国的420K系留气球雷达系统,可以搭载1吨以上的预警雷达在3000-4000米的高度停留1-2周的时间,这是预警机难以实现的,美国E-3预警机即使不计入赶赴战区所耗费的巡航时间,也只有最大12小时左右的续航时间。气球雷达系统的持续工作时间主要取决于气球球体的气密性而导致的内部气体的泄露,以及恶劣天气条件而导致的气球无法升空,但气球雷达的总体工作时间相比预警机有绝对优势,这一点是无可质疑的,即使是无人机这种续航时间较长的飞机平台,也只有在采用特殊动力后才能达到或接近气球雷达的留空时间。

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

美国E-3预警机

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另外,气球雷达相比预警机还有一大优点是使用费用极低,气球雷达系统的结构比预警机要简单,维护工作简单且维护成本较低,在使用时也不需要消耗燃料以保持持续飞行,而且气球上不需要搭载人员,是一种无人值守的空中平台,具备无人系统人工成本低的优势。气球雷达系统的主要消耗为氦气的泄露以及雷达系统的电力消耗,通常情况下每小时的开销仅数百美元,这一点与预警机相比又具备了绝对的优势,大中型预警机每小时的飞行成本可以达到数万美元。正是因为使用成本极高加上结构寿命有限,事前事后的维护也比较复杂,预警机一般情况下是不会轻易升空的,而气球雷达则由于极低的使用成本,可用于对特定区域进行长时间不间断的持续监视。

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

气球雷达的使用费用极低,因此可用于长期不间断的空中监视与侦察

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此外,气球雷达对低空小目标的探测与跟踪能力也比预警机要优势,预警机的预警雷达通常都安装在机身背部,受机体和机翼的遮挡,再加上预警雷达自身的设计因素,使得预警机在机身下方和斜下方一定范围内的低空区域是存在探测盲区的,这主要是因为预警机的设计是为了能在战时探测远程目标而考虑的,在机身下方的近距离低空区域内存在一定盲区并无大碍。有些预警机还存在着方位上的探测盲区,比如平衡木式的预警雷达在首尾方向上存在探测盲区,俄罗斯A-50的机载预警雷达在机尾方向上存在探测盲区。而气球雷达系统的雷达则通常都安装在浮空器平台的下方,并且可安装在透波性很好的气囊内部,可对周围360度范围内的低空目标进行无遮挡的探测。另外,与高速飞行的飞机平台相比,浮空的气球平台基本上是固定不动的,雷达安装在一个较为稳定的平台上,这也有利于气球雷达对低空小目标进行持续稳定的探测与跟踪,并且探测区域与范围非常稳定,不容易受到各种环境因素的影响。

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

预警机对低空目标存在着一定的探测盲区

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

气球雷达非常适合用于探测低空目标

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气球雷达系统还有一大优点是环境适应性好,气球雷达不需要预警机起降所必需的机场和跑道,在较为简陋的条件下也能升空作业。而我们知道传统预警机的作业不但离不了机场和跑道,而且预警机作为一种特殊的高技术装备,对维护保障条件的要求极高,也就是说不是随便一个军用机场都能对预警机实施保障的,预警机需要部署在专门的预警机基地后,才能对这种高技术装备进行长期、有效的维护。比如前苏联生产的25架A-50预警机被分散部署在4个预警机基地,当苏联解体后,俄罗斯由于缺少经费,不得不将所有A-50预警机集中部署在一个基地,可见预警机的维护与保障不但是个高技术活,还是一个高投入成本的活。而气球雷达系统在这方面的要求就低的多,配备的相关设备少,运行维护简单,成本低,并且人员配备也很少,在比较简陋的条件下也能升空作业,因此在侦察与监视任务中的应用远比预警机要灵活,可以在传统预警机使用较为困难的区域发挥重要的替补作用。

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

俄罗斯目前将所有A-50预警机集中部署在一个基地

盾和蛋之间的那点事(四十五)——特别篇:浮空雷达(上)

气球雷达可以在较为简陋的条件下升空作业

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当然了,气球雷达的缺点也是很明显的,那就是体积大、目标特征明显,而且不具备机动能力和自卫能力,当遭到敌方的火力打击时,气球雷达的生存力是很低的,因此气球雷达系统在战时并不能取代传统的预警机,而是预警机的重要替补,比如用于对战区内重要目标的防御,以及对低空巡航导弹的告警。由于气球雷达生存力低的缺点,其更适合用于和平时期的长期监视任务,因此我们可以看到很多发展气球雷达系统的国家或多或少都存在着一些边境问题,比如印度就将气球雷达用于对印巴边境地区的监视,美国虽然不存在边境冲突,但也将气球雷达用于对边境非法毒品偷运的监控。我国的边境地区虽然近年来较为稳定,但我国国境线漫长并且存在潜在的冲突地区,因此对气球雷达这种低成本、长时间的监视系统也存在着潜在需求。

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本篇至此告一段落,敬请期待下一篇《盾和蛋之间的那点事(四十六)——特别篇:浮空雷达(中)》,谢谢关注!

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附《盾和蛋之间的那点事》系列全收藏:

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