作者：蘭順正
首發自：《艦載武器》
在2021年11月初，以色列空軍（IAF）通過推特發布了一條消息：其部署的一種新型預警浮空器達到了裏程碑，這是一種無人系留飛艇，名爲“高可用性浮空器系統 ”(HAAS)，被描述爲世界上同類氣球載雷達中最大的一種。而該則消息也使得軍用浮空器成爲了各方關注的焦點。
浮空器泛指比空氣輕的各類飛行器，而高空氣球和飛艇則是其中的代表。世界上第一只大型熱氣球是在1783年6月由法國的蒙哥爾費兄弟發明的，從此以後人類便開始利用氣球進行探空活動，各種各樣的氣球相繼問世，到了20世紀初，氣球的飛行高度已達到2萬多米。飛機的出現曾經讓氣球一度被冷落，但後來又逐漸回歸。1947年9月，美國人用塑料薄膜制成了一個850立方米的氣球，載著30千克重的宇宙探測儀器，首次成功進行了宇宙線探測飛行，之後氣球作爲運載工具被越來越廣泛地用于各種科學實驗。
飛艇則是氣球技術與操縱技術和推進技術的有機結合，一戰的爆發使飛艇技術完全成熟起來，在一戰中各國對飛艇的軍事應用也達到過高潮，但由于飛艇飛行速度慢，抗風能力差，再加上所填充的氫氣易燃的缺點，其地位逐漸被飛機所代替，1937年5月6日“興登堡”號飛艇失事後，飛艇逐漸被天空所遺忘了。
近幾十年，一些關鍵技術如蒙皮材料技術、氣球超壓技術等有了很大突破，各型浮空器的性能大爲提高，已能在高空停留數月乃至一年，其巨大的軍用價值再次引起了各國的重視。
高懸天際，優點多多
以平流層飛艇爲例，此類浮空器具有很多獨特的優點：
1 效費比高
和軍用飛機與衛星相比，平流層飛艇的生産成本相對低廉。高空長航時無人機的價格往往爲上千萬美元，預警機和衛星的價格甚至達到了數億美元。相比之下，一個40米長的小型軟式飛艇的價格約爲200萬美元。
2持續及定點工作時間長
與軍用飛機相比，平流層飛艇的最大優勢是可以滯留于空中。飛機在空中的飛行時間通常以小時來計算，而飛艇則是以天甚至月來計算，這使得它能夠長時間持續工作；而且飛艇能夠定點工作，與飛機或衛星的越空飛行相比，平流層飛艇能夠在目標地域上空懸停，如果其上安裝了各種傳感器，就可以對目標進行持續、定點探測。
3相對安全
與其他航空器相比，平流層飛艇相對安全。其安全性主要體現在：一是由于平流層飛艇重量輕、結構疏松，可采用無金屬骨架的軟體結構，且需要的動力很小，因此飛艇的外部信號特征，尤其是雷達截面積和紅外輻射強度都很容易采取措施以降低，一定程度上達到了隱身的效果。二是飛艇的囊體內外壓差小，即便是受到炮火攻擊，內部填充的氦氣泄漏速度也比較慢，通常可以有充裕的時間返回基地或著陸，不會立刻導致災難性後果。三是目前的技術使得平流層飛艇能夠處于20千米以上，這樣的高度已超過了現在世界上絕大多數作戰飛機的攻擊高度和地空導彈的射高，所以部署平流層飛艇相對安全。
4偵察視野寬
在20千米以上高度飛行的平流層飛艇，視野比較廣闊，其雷達對地面偵察覆蓋面積可達1200平方千米。平流層飛艇的飛行速度比飛機慢，而且能在目標地域上空懸停，在飛艇上安裝的雷達之類的傳感器能更容易探測到小型目標。同時相較于衛星，平流層飛艇的飛行高度低，從而能以更高的分辨率進行拍照攝像。所以平流層飛艇可部分承擔衛星的功能，是未來太空衛星的有效替代和補充，又被稱爲僞衛星。
5載荷限制少
平流層的空氣活動不劇烈，飛艇能安靜平穩地完成升降和飛行，這對其攜帶高科技監視設備至關重要。平流層飛艇可以設計得很大，一般長度均在150米以上，可以在氣囊中攜帶大型雷達天線，而此雷達天線的形狀和尺寸幾乎不受限制。平流層飛艇的大載荷能力，使其還能容納巨型高分辨率光學望遠鏡和一系列其他遙感設備，以及目標追蹤器、通信設備、電子戰設備等。
6戰場適應能力強
平流層飛艇不需要固定的機場和跑道，具備垂直起降功能，只需要簡單的開闊地即可，適于部署在地形複雜的山嶺和海島地區。
7無線通信及時准確
平流層通信平台是介于地面通信和衛星通信之間的空中通信平台。平流層通信比地面無線電通信覆蓋面積大，電波不會受到地面建築物的幹擾；與衛星通信相比，飛艇距離地面近，電波的往返距離短，能量損失小，傳播時間大大縮短；平流層通信對地面終端所需功率要求小，有利于終端設備實現便攜、手持和小型化。
你追我趕，大國競逐
鑒于浮空器的諸多優點及軍用價值，目前很多國家均展開了此類裝備的研制。
20 世紀 90 年代後，美軍開始研發哨兵系列預警飛艇。1996 年美陸、海軍開始實施搭載預警探測裝置的浮空器進行巡航導彈先進概念技術驗證(ACTD)試驗，並于1998年4月正式啓動搭載搜索、跟蹤雷達對巡航導彈進行預警、探測、跟蹤的“聯合對地攻擊巡航導彈防禦用網絡傳感器系統”(JLENS) 計劃，後續不斷加強對其的升級、改造，2014 年完成人員培訓和戰鬥部署。2003 年美空軍開始實行作爲導彈防禦系統預警、探測、監控和信息處理平台的臨近空間機動飛艇(NSMV) 計劃。2005 年美軍“高空哨兵”飛艇和“戰鬥天星”浮空氣球試驗成功，隨後在“施裏弗-3”太空演習中，美軍首次使用臨近空間飛行器作爲預警、偵察和通信平台，並在伊拉克戰爭中進行了驗證，由此拉開了世界軍事強國臨近空間領域角逐序幕。2006 年，美空軍科技咨詢委員會（AFSAB）發布《在臨近空間高度持久存在》報告，隨後2007年7月正式啓動 F6 計劃，在此推動下，美臨近空間飛行器進入高速發展階段，洛馬、諾格等公司相繼研發操作性、安全性、系統功能更趨完備的高性能臨近空間預警飛艇，並在2010—2017年進行的6次“施裏弗”系列太空演習中展現了突出的預警、偵察、通信等性能優勢。
目前除“高空哨兵”項目外，美國知名的高空浮空器項目還包括洛馬公司的“高空飛艇”（HAA）項目、傳感器結構一體化飛艇（ISIS）項目、以及谷歌公司的“谷歌氣球”項目等。HAA飛艇與ISIS飛艇的用途主要是爲美軍提供定點通信、情報、監視和偵察能力，可以布設多艘飛艇組網實現廣域覆蓋。其中HAA采用橢球旋轉體外形，艇體內置氦氣囊和空氣囊，用于浮力與壓力控制；艇體兩側各安裝兩台電動螺旋槳作爲推進裝置；艇體上表面鋪敷薄膜太陽能電池陣列，用于提供電能；艇上搭載雷達、紅外傳感器和通信設備等有效載荷。2011年7月，HAA驗證艇進行了首次飛行試驗。ISIS同樣采用橢球旋轉體外形，艇體內置氦氣囊和空氣囊；艇體表面集成6000平方米的超大孔徑有源相控陣雷達，用于跟蹤空中與地面移動目標。2012年以後“谷歌氣球”項目一度進展迅速，其氣球的留空時間由數十小時發展到環繞地球飛行半年以上，但是在2021年初該項目被宣告關閉。另外美國雷神公司也成功研發了“塘鵝”巨型飛艇，該飛艇長約70米，自重約16噸，載重量約爲66噸，能攜帶大型雷達在30千米的高空長時間工作。據稱美軍計劃在東海岸部署這種飛艇，用于防禦來襲導彈和其他飛行器，模擬顯示，3艘“塘鵝”就可以監控北緯45°以北地區，30艘就可以初步監控全球。
在美軍出兵阿富汗和伊拉克後，爲了對固定地域進行長期監控，並爲部隊提供必要的保護，系留氣球再度受到美國軍方重視。目前美國是系留氣球裝備型譜最全、應用最多的國家，其主要系留氣球裝備供應商有洛馬公司和TCOM公司，二者均研制了多種基于流線型球體設計的系留氣球裝備。
如洛馬公司研制的56K型系留氣球裝備最早于2004年被美軍應用于伊拉克戰場，通過攜帶光學載荷，用于巴格達附近地面部隊和重要據點的防禦。後來56K系留氣球裝備被部署到艦艇上，由美國海岸警衛隊用于邊境監控任務，對其東南部海域長期監視。74K型系留氣球裝備被用于美軍持續威脅探測系統(PTDS)，提供遠程情報、監視、偵察和通信保障，在阿富汗和伊拉克戰場上的執行任務時間超過了100萬小時。420K系留氣球裝備是唯一在美國運行的大型系留氣球，通過搭載L88廣域監視雷達，建立了美墨邊境地區的系留氣球雷達系統(TARS)，用于監視低空的飛機、海上和水面目標。
TCOM公司産品涵蓋了戰術、戰役、戰略三個級別，其12M和17M系列系留氣球爲戰術級裝備，針對快速部署、撤收、再部署的陸地戰場監視應用，具有系統緊湊、操作便捷等特點，可搭載可見光、紅外、通信中繼類載荷爲身處複雜地型或偏遠地帶的地面部隊提供信息支持。而22M和28M系列氣球爲戰役級裝備，主要針對海上監視應用、重要區域和邊防的監視應用，可通過機動式或固定式錨泊平台進而部署，具備靈活的應用模式、較長的駐空時間和較強的載荷能力，是應用最廣泛的系留氣球裝備之一。71M和74M則是戰略級系留氣球裝備，采用固定式錨泊平台，主要用于對如輕型無人機和巡航導彈等低、小、慢飛行目標探測應用，具備強大的載荷能力和更高的工作高度，可搭載長程雷達、主動/被動通信設備爲國土與戰區防禦提供長達30天的保障。
2021年9月美軍“多域特遣隊”在挪威進行了“雷雲”演習，在演習中美軍就使用了8套高空氣球系統，充當“超低軌道衛星”。據報道，美軍在演習中使用的高空氣球攜帶一個帶有太陽能電池的載荷飛到數萬米的高度，能夠對數百公裏範圍內的目標進行光電和電子偵察，也能夠作爲通信節點提供信息聯通，其獲取的情報信息可以直接成爲“遠程精確打擊火力”的瞄准信息，並引導火力打擊。
蘇聯于20世紀五六十年代就開始各種高空預警、偵察、氣象浮空器的研制，並在阿富汗戰爭中運用了搭載通信設備的浮空氣球進行戰場通信保障。經曆一段停滯後，1990年俄羅斯恢複了浮空器的研發，1992年、1996 年分別舉辦了第一屆和第二屆俄羅斯浮空器競標賽。俄羅斯從事臨近空間預警探測系統研發的主要有1965年成立的多爾戈普魯德內自動化設計局、1991年成立的阿夫占爾浮空器中心和在莫斯科航空學院基礎上組建的空氣靜力公司等機構。其中搭載遠程預警雷達、情報偵察和信息處理設備的美洲獅、美洲豹臨近空間飛行器于1992年前後相繼研制成功並應用于俄戰區防禦體系。AU-30多用途飛艇于2006年研制完畢並投入應用，並在2008年俄羅斯北極科考隊租用進行空中偵察拍攝。2010年底，俄羅斯研制的用于軍事預警探測的新型飛碟式飛艇測試成功。當前，俄正致力于利用太陽能的搭載預警探測及通信設備的超長航時金雕(Berkut)系列平流層飛艇的研制，並完成了樣艇飛行驗證。
在氣球方面，Augur-RosAerosystems是俄羅斯的主要供應商，其系留氣球裝備基于流線型球體設計。資料顯示，Irbis和Lynx是小體積系留氣球裝備，充氣放飛階段需要4-6人，工作階段僅需2人，主要用于60-70千米範圍的大型活動安保服務和邊境防衛。Gepard中型系留氣球裝備，地面保障人員需要約8人，通過搭載小型雷達系統，執行170-300千米範圍的低空飛行目標、地面與海面目標探測識別任務。Tiger是大型系留氣球系統，主要裝備雷達、光電等載荷設備，用于半徑230千米範圍的防空預警、電子偵察、邊境防衛等應用。Puma系列則是世界上最大的系留氣球裝備之一，可搭載大功率雷達承擔380千米範圍的監視、識別和跟蹤等任務。
英國的飛艇技術在世界上也位于前列，英國2002年由ATG集團研制出可搭載2噸預警監視設備，滯空達5年之久的Stratstar飛艇，2004年開始天貓(SkyCat)飛艇系列重型飛艇的研發。在2016年8月17日，英國Hybrid Air Vehicles（混合空中飛艇公司，簡稱HAV）研制的全球最大飛行器Airlander10完成了它的首次試飛。Airlander10身長92米、寬44米、高26米，載重量達10噸，飛艇內部填充了130萬立方英尺的氦氣。HAV公司表示，Airlander10最多能夠在空中手動航行連續5天時間不間斷飛行，無人自動航行則可以連續兩周時間不間斷，適用于緊急救援、空中監管、旅行載客和物資運輸等應用場景。
而中國在浮空器領域同樣不落于人後。中國在飛艇領域的相關研究始于“十五”期間，近年來多所高校、科研院所開展了方案論證、關鍵技術攻關等研究工作，同時部分民營企業也投入到近空間飛艇的研制過程中。其中，北京航空航天大學在“十一五”和“十二五”期間完成了多次高空飛行技術驗證，在超壓囊體、循環能源、動力推進、飛行控制和發放回收等飛艇關鍵技術研究上取得了重要突破。2015年10月，北京航空航天大學、北京南江空天科技股份有限公司共同完成了近空間飛艇“圓夢號”的較長時間留空飛行試驗，實現了可控飛行與完好回收，同時開展了近空間寬帶數據傳輸、語音圖像傳輸、對地觀測與空中態勢感知等初步應用試驗，標志著中國在近空間飛艇研制領域邁入世界先進行列。
在氣球方面，2017年9月10日由中科院光電院研制的超壓氣球在內蒙古首飛取得圓滿成功。該氣球球體體積約7000立方米，設計升限25千米，載重能力約150公斤。在飛行中還搭載了四類五種載荷，成功完成了高空無人機投放、高空吊艙環境熱控、高空農業育種、高空太陽能電池標定和高空太陽能電池性能測試等試驗，取得了大量有效的試驗數據，其中多項試驗均屬國內首次。同年10月25日，中國自主研發的“旅行者”3號臨近空間氦氣球在新疆測試飛行成功。“旅行者”3號在升空後，一個多小時後到達20千米以上高空的稀薄空氣中，共飛行了四個多小時，期間順利完成了一系列技術測試。而在2021年第十三屆珠海航展上，中國電科展出的JY-400系留氣球偵察監視系統也十分引人矚目。該系統是中國電子科技集團有限公司第三十八研究所根據當前國際市場用戶需求情況研制的出口型系留氣球偵察監視系統，采用一個橢圓形系留氣球作爲空中平台，搭載預警雷達、雷達偵察設備升空執行任務。資料顯示，JY-400可提高對低空飛行目標、海面艦船目標預警能力；可對周圍地區進行電磁頻譜監測，提高低空、海面雷達情報偵察能力；也可根據用戶需求，搭載通信、光電、雷偵、通偵、通信、幹擾等各類型載荷，實現通信中繼、對地觀測偵察等任務。
此次文章開頭提及的以色列由于身處敏感地區，長期與周邊勢力矛盾重重，加沙的哈馬斯、黎巴嫩的真主黨以及伊朗等近年來都在擴大和改進自己的火箭和導彈武器庫方面取得了重大進展，這對以色列整個多層導彈防禦架構提出了新的挑戰，因此以浮空器爲平台的預警系統對于國土狹小的以色列自然是非常重要的。
早在2014年7月和8月加沙邊境地區防衛作戰行動中，以色列就已經沿邊境部署了13艘浮空器，用于遙控監視邊境動態。而以色列本身也向其他國家出售了帶雷達的系留浮空器，包括以色列航宇工業公司（IAI）的ELM-2083及其L波段有源電子掃描陣列(AESA)。制造商聲稱它能夠跟蹤多達500個目標，對戰鬥機大小目標的探測範圍超過250千米，覆蓋距離可達7000多米。ELM-2083的客戶包括印度和新加坡，據悉後者將該系統與TCOM設計的氣球結合使用。
此次以色列空軍證實，“高可用性浮空器系統”(HAAS)是由IAI下屬的埃爾塔（Elta）公司與IAF、以色列導彈防禦組織(IMDO)和美國導彈防禦局(MDA)合作開發的，氣球本身是由美國TCOM公司生産。據介紹，HAAS駐紮在以色列北部的一個未命名地點，將用于“探測和告警高級威脅”，其主要傳感器是空中遠程預警（Sky Dew）高架雷達，預計將提供對低空飛行威脅的預警，例如巡航導彈、武器化無人機和其他空中威脅。以色列空軍司令阿米卡姆·努爾金少將表示，該系統將成爲加強國家邊界保護的重要組成部分，並將有助于建立更准確和更廣泛的空域圖的能力。
參與航天，潛力巨大
另外，除了用于監視、預警以及情報收集外，浮空器在宇航發射領域的潛力也是不可忽視的。在各種發射運載火箭的方式中，使用空中平台將火箭“提”到高空再發射已經不是什麽新聞了，目前主要采用的載體是飛機，而氣球發射方式就是將借助氣球吊裝運載火箭上升到高空後再發射。此概念可最早追溯到1949 年，當時天體物理學家詹姆斯·範艾倫（James Van Allen）等人提出用氣球發射火箭，這樣可以減少火箭在地球大氣層中消耗的燃料,但是由于當時的技術限制，這種方法並不被看好。不過隨著近來“微納衛星”開始流行，氣球的作用也重新受到認可。
和普通的飛機相比，氣球發射有著自己的優勢。一方面使用氣球的成本更低。系留氣球能源由地面供給，可使用常規電力，不需要攜帶燃料，這樣大大節約了飛行器的能源成本，而且氣球一般可回收重複使用。綜合效費比的話，系留氣球的使用成本僅爲飛機的5%，使用時還可以比飛機降低約30%的能耗。另一方面，氣球能達到更高的高度。研究表明，在空氣稀薄甚至沒有大氣環境的高空發射火箭，可以有效降低空氣阻力和重力損失，而且能讓發動機噴管能在最優條件下工作，所以能夠將載荷入軌所需的速度增量降低8%。此外，高空的低溫環境發也降低了對火箭的防熱系統的要求，從而能夠簡化防熱系統，實現火箭結構質量的優化。如在2017年3月，西班牙的零至無窮公司就在西班牙海岸附近利用氣球將小型火箭——Bloostar提升至25千米高度後，成功實現Bloostar的分離、點火，並在海上完成回收，而一般的飛機難以達到25千米這樣的高度。
在2019年的11月有報道稱，美國洛杉矶創企獅子座（Leo）宇航公司正在研制一個系統，擬利用在18公裏高空由巨型熱氣球投放的火箭來發射微小衛星。該氣球被稱爲“雷古勒斯”，按可重複使用來設計，每個氣球將能反複升空飛行100次，並將配備用來保持穩定和指向的多台推力器，以及供10米長的三級火箭發射用的專利性滑軌系統。按照計劃，其火箭將能把33公斤的有效載荷送入550公裏的太陽同步軌道，或把57公斤的有效載荷送入300公裏的圓軌道。該公司還打算利用“雷古勒斯”和一款3米長的火箭開展亞軌道任務，能把100公斤有效載荷送到400公裏高度，而且該系統基本上是采用一輛半挂卡車作爲發射平台，因此還具備機動發射能力。不難推測的是，未來隨著小型衛星發射任務的增多，這一新發射方式預計將迎來發展熱潮。