美國系留氣球載監視系統發展分析

汪岸柳，毛偉文

(中國電子科技集團公司第38研究所 浮空平臺部，安徽 合肥 230088)

引言

系留氣球依靠氣囊內部充入比重比空氣輕的氣體(LTA氣體)，如氦氣、氫氣等，產生浮力克服自重與設備重量，并通過纜繩系縛于地面錨泊設備，實現升降、既定高度留空等操作。系留氣球像飛機和衛星等空中平臺一樣，可以搭載各種通訊、監測等傳感器設備。并且，相對于飛機和衛星，其具有研制周期短、成本低、不需動力、留空時間長、安全性好、使用方便、維護成本低等突出優點，在軍事上的應用越來越廣泛。

美國是世界上使用系留氣球載監視系統最多的國家，自其上世紀70年代的“搜索天鉤”(Seek Skyhook)計劃開始，到2014年1月底“聯合對地攻擊巡航導彈防御空中網絡傳感器系統”(JLENS)正式部署馬里蘭州截止，美國在國土以及海外戰場部署了多達十幾種類型、數百套系留氣球載監視系統，以保護其國土安全和國防安全。

我國早在上世紀八、九十年代亦開始關注系留氣球載監視系統，多家院校和研究所都進行了相關研究，到目前為止，已取得了不小的成果[1]。不過，由于起步晚，基礎技術稍顯落后，在技術方面和應用方面，與美國相比，還存在一定差距。

本文將以美國已部署或正在研發的系留氣球載監視系統為研究對象，整理球載監視系統的技術特點以及美國球載監視系統的發展特點，從而分析其發展趨勢，為我國從事相關的技術研究提供一定的參考。

1 系留氣球監視系統的主要特點

由于系留氣球監視系統利用系留氣球平臺的浮力升空，可使用系留纜繩來將地面上的電能傳給球上的監視設備以保證其正常工作，主要具有以下特點：

1.1 覆蓋范圍廣

球載監視系統可升空至四、五千米的高空，相比地面監視系統，受地球曲率影響小，覆蓋范圍廣。當氣球升空高度達到3000米時，對飛行高度50米的目標，其監視距離可達到255千米，是地面雷達的5.7倍，監視面積達到2.8萬平方公里，是地面雷達的32.5倍。

1.2 可克服地形遮蔽

由于其工作高度超過一般的地面建筑和高山等地形，可以很好的克服地形障礙的遮蔽，減少監視區域的空白，當雷達系統具有足夠的功率和靈敏度時，其對低空目標的監視距離就由雷達的視距決定。因此在監視遠距離低空、超低空目標(諸如飛機、遙控無人機、巡航導彈等)方面，升空的雷達系統具有其獨特作用。

圖1 球載監視系統的工作示意

1.3 續航能力強

系留氣球監視系統能源消耗主要來自球上電子設備和任務載荷的供電，相比其它飛行器，這些能源可以由纜繩從地面供給，無需球上攜帶，大大延長了空中工作時間，幾種航空器續航時間如圖2所示。

圖2 系留氣球與固定翼飛機的續航時間對比

1.4 效費比高

對于固定翼飛機或旋翼飛機等飛行器，在飛行過程中需要速度獲取動升力，在飛行的過程中需要消耗大量的燃油，其續航能力受到攜帶燃油量的制約，一般續航時間均是以小時計算。以預警機為例，常規固定翼預警機的續航約6-8小時不等[2]。對于系留氣球，其能源的消耗主要為自身的電子設備和任務載荷的供電，而這些電能可以由纜繩從地面供給，因此系留氣球的續航時間可以以天計算。一般來說，大型陣地式系留氣球的留空時間可在25天左右，小型機動式系留氣球的留空時間也能達到一周以上。

1.5 生存能力強

由于系留氣球填充壓力均較小，在受到炮火攻擊時，升力氣體的泄漏速度很小，受到攻擊后能夠有充裕的時間進行相關操作或返回基地進行修復。另外，系留氣球的囊體為高透波性材料粘合而成的軟體結構，內部無金屬骨架，雷達反射面較小，幾乎沒有雷達回波和紅外特征信號，很難被探測到。

2 氣球平臺主要研制廠商及相應平臺產品

限于技術水平、工業基礎和綜合國力，真正具有自主研制、批量生產氣球預警、監視系統能力的國家目前主要為美國。美、英、法、意、印、以色列、科威特、沙特等二十多個國家和地區實際服役使用的氣球載裝備均為美國生產。

有能力研制系留氣球平臺的大型公司主要為洛克希德·馬丁(洛馬)公司[3]、TCOM公司[4]、Raven Aerostar公司以及其它中小型研制商，詳細如表1所示。

表1 平臺研制產商及平臺產品

上表中，洛馬公司與Raven Aerostar公司設計生產的系留氣球產品命名中的數字表示系留氣球的氣囊容積大小，單位為立方英尺。TCOM公司系留氣球產品的命名則主要以氣球的長度為標準。

其它一些中小型研制廠商，有世界航空公司(Aeros)、世界監視集團股份有限公司(WSGI)、信息系統實驗室公司(ISL)等。這些公司近幾年均開始涉足系留氣球監視系統領域，并取得了不小的成績。

3 美國主要球載監視系統

3.1 美國主要球載監視系統產品統計

依托不同類型的系留氣球平臺，美國軍火承包商，如洛馬公司，諾思羅普·格魯曼公司(諾格公司)，雷神公司等，研究、設計、生產了多種類型的系留氣球預警、監視系統。通過對美國近四十多年來的球載監視系統梳理[4]，目前主要有以下類型的球載監視系統，如表2所示。

表2 美國主要球載監視系統情況 單位：萬美元

由上表可知，40多年來，美國部署了數百套系留氣球載監視系統。其中，2000年以來，尤其是美國在阿富汗、伊拉克的戰爭，更是推動了球載監視系統的應用，以RAID、PGSS、PTDS三種系統為例，其部署數量之和超過百套，若考慮其備份、損壞后再修復以及損毀后再重新生產的系統，其使用數量遠大于上述統計數。

3.2 美國球載監視系統使用特點分析

根據上一節的統計信息，可以看出美國球載監視系統使用有如下特點：

3.2.1 戰略級球載監視系統持續發展

JLENS始于1996年，由美國陸軍空間和導彈防御司令部主導，發展系留氣球載雷達監控系統，以保護美國國土安全。2014年1月，JLENS系統終于部署馬里蘭州，以保衛美國首都華盛頓特區及其東部海岸。作為當今最先進的戰略級球載預警系統，JLENS十年磨一劍，歷盡多方挫折，終于修成正果。

3.2.2 戰術級球載監視系統大量發展

美國早期主要是利用420K、TCOM71M等大型氣球平臺，發展TARS等戰略級或工作級球載系統。到21世紀，受到美國在阿富汗、伊拉克戰爭的迫切需求，以TCOM17M、28M、74K、TIF-25K等中小型系留氣球為平臺，發展了諸如RAID、PGSS、PTDS等戰術級球載監視系統，而且數量龐大。

3.2.3 平臺與任務載荷兼容性很關鍵

通過美國的實際使用，球載監視系統平臺與任務載荷的兼容性很重要，平臺與載荷兼容性包括兩方面：

一方面，平臺大小與任務載荷的匹配性很關鍵。以RAID為例，作為TCOM公司2001年就開始部署到阿富汗的球載監視系統，其初期采用TCOM15M氣球平臺，根本無法滿足任務載荷的需求，之后不得不采用更大的TCOM17M氣球平臺，直接結果就是其后期幾乎完全被PTDS、PGSS等系統擠出球載監視領域，只能向地面塔基監視發展。

另一方面，平臺與任務載荷功能匹配性也非常重要。以TARS為例，早期，TARS只是空軍單獨發展的球載監視系統，上世紀90年代初，美國國會要求美國國防部，對西南邊境的共三家單位負責的系留氣球監視系統，計11個系留氣球雷達監視系統進行整合統一管理，合并成TARS系統。目前，TARS的所有站點的氣球平臺和雷達任務載荷均是由洛馬公司一家生產。

4 美國球載監視系統發展趨勢分析

隨著阿富汗、伊拉克戰爭的結束，尤其是2013年美國財政危機后，美國的軍事策略發生了相應變化，美國球載監視系統發展也發生了改變，其發展趨勢有以下幾個特點：

4.1 單平臺多任務載荷化發展

隨著技術的發展，新型囊體材料以及任務載荷的小型化和集成化后，球載監視系統可以實現單平臺多任務載荷。以PTDS為例，可同時搭載Wescam Mx-20 EO/IR相機，聲敏傳感器，通信中繼,以及AN/ZPY-1星光雷達等，涉及到光學、聲波、電波、磁場等不同類型任務。未來，這種搭配形式將越來越多。

4.2 球載監視系統網絡化發展

球載監視系統網絡化包括兩方面：一個是多個球載監視系統的網絡化組成，另外一個是球載監視系統與其他非球載監視系統如無人機、飛艇等進行空中組網。

典型的多個球載監視系統網絡化組成代表是JLENS，作為目前最先進的球載監視系統，每套JLENS包括兩個氣球平臺，分別搭載兩個功能不同的監視雷達(SUR)和精確跟蹤探測雷達(PTIR)，前者提供一個單一、集成、網絡空中圖片(SINP)，并將信號指令傳給PTIR，實現對目標鎖定。PTIR可以支持一系列武器，包括愛國者PAC-3，SM-2，SAMs，AMRAAM以及中程擴展防空系統(MEADS)等。

球載監視系統與其他非球載監視系統組網，如REAP、以及測試中的HSV-2。2012年4月下旬，美國海軍采用REAP成功進行了無人系統延伸通信中繼試驗。

4.3 球載監視系統從國防安全向國土安全轉變

阿富汗、伊拉克戰爭的結束，美國從戰地撤軍后，戰時用于保護軍隊的球載監視系統并沒有因為撤軍而被拆除。除一部分繼續在海外進行反恐與軍隊保護外，另一部分正在逐步轉換職能，從國防安全向國土安全轉變[4]。

2013年，TARS由美國空軍轉為美國海關和邊境保護局(CBP)負責運行，凸顯其國土安全使命。

4.4 戰略級球載監視系統地位不可替代

不論是JLENS系統耗費多大，還是2013年財政危機多么嚴重，戰略級球載監視系統JLENS依然會持續發展，2014年1月底，一套JLENS系統部署在美國馬里蘭州，進行為期三年試用。

另外，作為處于生命周期末期的TARS，即使早被列為裁撤計劃之中，但由于無法找到可替代的系統而不得不延長服役。可以預測，在未來一段時間內，戰略級球載監視系統不可能被替代。

5 結語

四十年來，美國成為世界上系留氣球載監視系統最主要的使用國，多達十幾型的系留氣球系統部署在美國本土和海外。

阿富汗、伊拉克戰爭已證明系留氣球監視系統是一項“偉大的裝備”。他們被當地指揮官稱為“游戲改變者”。JLENS系統正式部署馬里蘭州，它將成為美國首都華盛頓特區的保護神。

可以預測，隨著新材料、新技術的發展，系留氣球監視系統將成為美國國土安全和國防安全不可或缺的保護傘。

[1] 高山.氣球載雷達結構總體設計[J].雷達科學與技術，2010，8(6)：487-491.

[2] Christopher Bolkcom. Potential military use of airships and aerostats[R]. CRS Report for Congress. Washington.D.C: United States Capitol.2006.

[3] United States Government Accountability Office. Future Aerostat and Airship Investment Decisions Drive Oversight and Coordination Needs[R].Washington: GAO.2012.

[4] The Office of the Assistant Secretary of Defense for Research and Engineering, Rapid Reaction Technology Office. Lighter than air vehicles[R]. Virginia: DOD.2013.