此前,有美国军事专家评论到,率先拥有平流层战略平台,谁就开启了人类在近地空间区域活动的新纪元,所以平流层飞艇无疑成了各国争先研究的对象。
2022年12月18日,曾有外媒拍摄到疑似中国平流层飞艇的照片,根据相关图片以及评论来看,该飞艇姿态十分平稳,所以就其飞行高度来说,保守估计已达平流层。
外媒拍摄到疑似中国平流层飞艇的图片
平流层飞艇这个概念,相比于战斗机、轰炸机、航母来说,对其关注度没有那么高,但它的作用可一点不容小觑。本文就平流层飞艇以及在未来在军事方面应用的可能性展开较为深入的探讨。
先来解释一个概念,何为平流层。
平流层的概念,其实早在中学课本中就有谈到,其实究其根本,还得从大气层说起,从近地表到天空,可以此划分为对流层、平流层、中间层、增温层、外气层等。
大气层划分
相对来说,我们更多的认识在于对流层,因为一年四季天气的变化,如大风、雨雪等都集中在对流层。平流层位于距离地表10-50公里的高度,主要是民航客机的飞行区域,例如波音-777客机的最大飞行高度在13140米左右,因为平流层气流相对稳定,安全可靠性较高。
ST-71黑鸟侦察机
我们平时坐飞机遇到气流不稳定时会出现颠簸的情况,一般都是发生在对流层,对流层飞机出现颠簸的可能性很小。以美国SR-71黑鸟侦察机为例,其升限达30000米,也是属于平流层的范围。
在世界各国近空间飞行器研究中,其目标聚焦在平流层飞艇、浮空气球以及高航时无人机方面,如美国、俄罗斯,韩国等,但碍于技术的限制,在平流层飞艇方面的突破相对较少。
那么,发展或者研制平流层飞艇,有哪些技术难点。
笔者将引用于春锐等人2022年在《空间科学学报》所发表的《平流层飞艇总体设计的基础问题》一文进行解释和说明。
文章指出,平流层飞艇作为一种复杂的飞行器,在对其设计时需要考虑的问题尚没有形成规范。文章分别从平流层环境、空气静力、热力学三个方面进行了分析。
其一、平流层环境。虽然平流层气流相对比较稳定,但这只是一个相对概念,即在短时间内也有可能会出现气流很不稳定的情况,而且要保证飞艇在相关区域飞行过程中抗风能力大于该高度和区域的风速。再来假设一种情况,平流层飞艇在从白天到夜晚的跨越过程中,飞行区域温度会发生较为显著的变化,此时飞艇夜间压力降低,如何维持自身的形状是一个很大的问题。而且这个问题同样存在于飞艇从起飞直至其所需到达的飞行高度过程中,同样存在巨大的大气压力变化。
某地区20km定高探空气球1h轨迹曲线变化图
其二、空气静力问题。和低空飞艇不同的是,平流层飞艇飞行高度高、大气密度低,对其纵向受力分析可知,只受到两个力,即向下的重力和向上的浮力,所以对于纵向力的配平只能来源于浮力,在向更高区域飞行过程中的升力也是浮力。对于平流层来说,是一个很复杂的环境,这就导致飞艇的纵向力很难达到平衡。
平流层飞艇艇体表面温度分布图
其三、热力学问题。将太阳直射点附近艇体表面温度和背对太阳直射点艇体温度做对比可知,其表面温度差可达16329℃,这就要求飞艇囊体材料具有很强的高低温适应性能力,甚至说适应温度突变能力也毫不为过。
上述是对研制平流层飞艇技术难题的简单介绍。
我国在平流层飞艇方面的研制已走在了前沿水平,根据公开的资料来看,2012年8月,中国科学院光电研究院就进行过一次平流层飞艇的飞行试验,在18km的高度成功完成了方向控制、下降控制等系列试验。
科学试验艇放飞状态
此外,对于飞艇囊体材料的研究,我国已率先取得了突破,此前有报道称北京航空航天大学已经研制出了可克服高压差的材料,能做到这一点的目前只有中国。
当然,美国对平流层飞艇也进行过不少研究,但是一直以来都无法解决囊体材料问题。
那么,有人问了,平流层飞艇有哪些优势和用途?
先说答案,笔者认为平流层飞艇除了用于科研任务以外,未来或许在军事方面的应用意义更大。
F-22战斗机
首先说平流层飞艇的优势方面。
其一、平流层飞艇飞行高度高,超过了几乎所有战斗机的飞行上限高度。例如F-22战斗机,实际最大飞行高度在18000米左右,这已经是极限水平。而平流层飞艇不一样,如果相关技术成熟,其飞行高度至少可以在20000米高度以上,所以从这个角度来说,平流层飞艇几乎是无解的存在。
德国飞艇
其二、能够长时间驻空飞行。和战斗机飞行需要燃油不一样的是,平流层飞艇依靠自身的太阳能板就可以工作,而且在重力和浮力的作用下,可以长时间以低速状态驻空飞行,几个月甚至几年时间都有可能。
其三、难以被击落。平流层飞艇的飞行高度是战斗机很难达到的高度,而且由于其飞行速度缓慢,假设战斗机携带导弹对其进行打击,近距离几乎不可能命中,远距离尚有命中的可能性,但是概率很小。
造价1.5亿美元的F-35战机
其四、工作寿命长、成本低。相比于战斗机动辄几亿美元的造价,平流层飞艇的造价要低很多,而且后续的维护成本同样很低。
其五、具备较优秀的隐身性。和战斗机不同,平流层飞艇的飞行速度很慢,而且艇体具备一定的透波能力,所以在这种情况下,雷达很难将其发现。
下面来说笔者认为的有可能未来在军事方面的应用。
战斧-巡航导弹
笔者认为,等待相关技术成熟以后,平流层飞艇可以充当预警机、侦察机的角色,假设在实战情况下,平流层飞艇还可以引导己方导弹对敌目标发起精确打击。还有一种可能,平流层飞艇可以作为高超音速导弹乃至巡航导弹的发射平台,这当然属于对未来的技术展望,但并不是没有实现的可能,如此一来,导弹的射程将会进一步扩大,威慑力也会更强,所以平流层飞艇未来成为全新概念武器打击平台也不是不可能。
SR-71黑鸟侦察机
注:本文仅代表笔者本人的看法!
参考文献:
于春锐,乔凯,刘东旭.平流层飞艇总体设计的基础问题[J].空间科学学报,2022,42(05):927-932.