平流層飛艇艇載式風場測量技術探究

臨近空間是“空”與“天”的結合部，是連接“空”與“天”的紐帶，具有天基平臺和空中平臺無可比擬的優勢，已成為一個空天一體的軍事競爭戰略空間。其中，平流層飛艇作為臨近空間中具有代表性的低動態飛行器，逐漸成為國內外的研究熱點。然而平流層低溫、低氣壓的環境以及飛艇飛行速度低等特點，使得常規的風速、風向測量裝置均不適用于平流層飛艇艇載實時風速測量，飛艇無法自主感知風場的特點和變化，大大增加了平流層飛艇飛行的難度。因此，研制精密的風場測量裝置對于平流層飛艇的研制至關重要。

臨近空間飛行器及平流層飛艇

臨近空間主要指距地面20～100km的特定空域，大約處于現有飛機的最高飛行高度和衛星的最低軌道高度之間。這一高度的環境極為特殊，傳統飛機遵循的空氣動力學和衛星遵循的軌道動力學均難以適用，而正是由于其空間環境獨特，使得近太空飛行器與傳統飛機及衛星相比具有得天獨厚的發展優勢。短短數年時間，臨近空間飛行器發展出多種結構和型式。各國目前在研的臨近空間飛行器，按照飛行速度大致可分為低動態飛行器（Ma<1）和高動態飛行器（Ma>1）兩大類型：

（1） 低動態臨近空間飛行器主要包括平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。它們具有滯空時間長、載荷能力大、飛行高度高、生存能力強等特點，能夠攜帶可見光、紅外、多光譜和超光譜、雷達等信息獲取載荷；可作為區域信息獲取手段，用于提升戰場信息感知能力，支援作戰行動；又可攜帶各種電子對抗載荷，實現戰場電磁壓制和電磁打擊，破壞敵方信息系統；還可攜帶通信及其他能源中繼載荷，用于野戰應急通信、通信中繼及能源中繼服務。

（2） 高動態臨近空間飛行器主要包括高超聲速巡航飛行器、亞軌道飛行器等。它們具有飛行速度快、飛行距離遠、機動能力高、生存能力強、可適載荷種類多等特點，具有遠程快速到達、高速精確打擊、可重復使用、遠程快速投送等優點；既可攜載核彈頭，替代彈道導彈實施戰略威懾，又可選擇攜載遠程精確彈藥，作為“殺手锏”手段，攻擊高價值或敏感目標，還可攜帶信息傳感器，作為戰略快速偵察手段，對全球重要目標實施快速偵察。

臨近空間作為科技與軍事應用的新空間，無論低動態還是高動態飛行器的關鍵技術都在被迅速突破，尤其是美國不斷推出新型飛行器開展飛行試驗。軍事專家們普遍認為，開發和利用臨近空間必將成為作戰能力新的增長點，特別是臨近空間飛行器加入陸、海、空、天信息網絡系統后，必將對各國安全提出新的挑戰。

目前，世界各國提出了多種臨近空間飛行器發展方案，研究的熱點集中在平流層飛艇、浮空氣球和高空長航時無人機上。其中，平流層飛艇是地球同步衛星之外另一種重要的定點平臺。與衛星相比，平流層飛艇的優點包括效費比高、機動性好、有效載荷技術難度小、易于更新和維護。此種飛行器距目標的距離一般只是低軌衛星的1/10～1/20，可收到衛星不能監聽到的低功率傳輸信號，容易實現高分辨率對地觀測。

與傳統飛機相比，平流層飛艇的優點是：

（1） 持續工作時間長，傳統飛機的留空時間以小時為單位，平流層飛艇的留空時間則以天為單位，目前正在研制的臨近空間平臺預定留空時間長達6個月，規劃中的后續平臺預定留空時間可達1年以上，便于長期、不間斷地獲得情報和數據，可對緊急事件迅速做出響應，而且人員保障少、后勤負擔輕。

（2） 覆蓋范圍廣，平流層飛艇的飛行高度在傳統飛機之上，其偵察覆蓋范圍比傳統飛機要廣得多。

（3） 生存能力強，平流層飛艇的囊體采用非金屬材料而且低速運行，雷達和熱反射截面很小，傳統的跟蹤和瞄準辦法不易發現。

艇載風速測量系統的需求

平流層飛艇具有自主循環能源和長時區域駐留的特點，可控飛行是平流層飛艇需要解決的重要關鍵技術之一。平流層飛艇尺寸和慣量大，通過實時感知駐留高度的風場數據，才能較好地實現平流層飛艇的自主飛行控制和實時軌跡優化，增強對飛艇軌跡的主動控制和抗干擾能力，有利于高效率完成對敏感區域的實時監測等載荷任務。

目前平流層飛艇飛行試驗中，所使用的風場數據主要包括：

（1） 利用全球氣象衛星數據進行試驗場區域的平流層風場態勢分析與預報數據，該數據預報的區域大，具有統計特點，為預報數據；

（2）高空氣球探測的風場數據，該數據是探測地點上探測時間點的高度剖面的風速風向數據，對飛艇不具有持續性和實時性；

（3） 遙感技術（地基激光雷達等）探測的風場數據，該數據是整個高度剖面的風速風向數據，探測的風場數據精度和高度分辨率還有待提高，且不是飛艇飛行駐留高度的實時風場數據。

通過這些技術探測的風場數據，對大區域的風場預報和飛艇放飛窗口決策等具有重要參考價值。

平流層準零風層的高度是相對的，風場以東西風為主，但南北風量大小和方向隨時間有變化。若利用這些非實時風場數據進行平流層飛艇的飛行控制和軌跡優化并制定飛行控制策略時，只能人為地不斷調整矢量動力推進系統實行“盲控”，通過飛艇的實時飛行軌跡和姿態情況，來驗證判斷駐留高度的風場實時情況。這種情況下，飛行控制效率較低，不準確非實時風場數據將加劇艇載有限能源系統的消耗，且使能源分配不均，增加飛行控制難度，不能快速到達任務區域，將極大影響有效載荷的使用效率。

平流層飛艇駐留高度空氣密度低，其飛行速度一般為20m/s左右，其對應產生的動壓較小，其中5m/s對應的動壓為1.11Pa，20m/s對應的動壓為17.6Pa；另外，平流層飛艇表面溫度變化范圍較大（-70～70℃），且平流層飛艇對艇載設備的重量和功耗約束要求高，必須追求輕量化和低功耗，這些使用環境和約束條件對研制艇載實時測風系統提出了很高的要求。

常用風速測量方法對比

現有測速儀主要運用在大氣風場、氣象探測、環境監測、飛機空速測量及風洞風速測量等領域。

傳統機載測速儀為空速管，但對于平流層低空氣密度低動態的飛行環境，其動壓引起的壓強變化往往不能夠精確測得。熱線式和熱膜式風速儀主要通過檢測暴露在流體中的熱敏感元件的溫度耗散和熱能傳遞速率來推算風速。

熱線熱膜風速儀穩定可靠、信噪比高且測量精度高、重復性好，但受到單端輸入信號飽和的限制，風速測量的量程不高，而且溫度測量需要一定的響應時間。

微壓傳感器近年來發展迅速，如硅壓阻固態測風傳感器、光纖光柵壓力傳感器、MEMS微壓傳感器等。雖然它們測量精度很高，可達10Pa級，且具有重量輕、耐腐蝕等優點，但半導體材料存在溫漂問題，連續工作時需要校正。而且對于平流層海拔20km，空氣密度為0.08891kg/m3，由動壓計算公式得10m/s風速引起的壓差為4.4Pa，無法達到測速精度要求。

超聲波測速儀基于相對運動的多普勒效應，通過測量超聲波某方向的傳播時間，可以得到順風或者逆風的傳播速度。但由于聲的發送和接收器件在大氣中對風有阻擋作用，尤其是風與聲波發送和接收處于同一方向時，易造成較大的誤差，而且結構復雜，不易在浮空平臺實現。

另外，新型戰機如F-35和J-20使用嵌入式大氣數據系統代替了傳統的風速管，但對于高空低速飛行器，其壓強傳感器量程和精度尚不能滿足要求。

激光雷達具有分辨率高、響應快等優點，將激光雷達應用于機載和星載平臺上進行遙感探測，精度高且覆蓋范圍廣。激光雷達測風技術分為直接探測和相干探測，后者只能通過大氣氣溶膠顆粒散射信號進行探測，而對于高層大氣如距地高度20km的平流層風場而言，氣溶膠含量極低，只能通過直接探測的方式。直接探測技術可通過氣體分子的瑞利散射信號進行大氣環境探測，利用直接探測激光雷達可對高層大氣和全球風場進行遙感探測。

對于小型化機載測速系統，目前國外進行了機載湍流探測、低空云層監測等項目研究。密歇根航宇公司的分子光學大氣數據系統（MOADS）則可代替傳統大氣數據系統，能夠實現測量飛行器的空速、壓力、溫度以及飛行姿態等飛行控制參數。

國內對于高空風場的探測主要通過地基甚高頻雷達或激光雷達探測，但對于針對適用于平流層條件下能同時探測風速和風向的艇載測量技術，目前沒有相關研究資料可供參考。

目前，利用激光雷達系統實現艇載測風存在一些難點，首先該測風系統結構復雜、重量大、功耗大；另外為了能夠測量飛艇駐空高度的風場，出射激光方向和角度需要滿足水平安裝，與飛艇艇體保持一定距離避免受到艇身干擾，對安裝和固定位置提出了較高要求。常用的風場測量方法見表1。

艇載風速測量系統面臨的問題

由于平流層飛艇飛行速度低，與駐留高度的風速為同一量級，風速對應的動壓小，傳統的艇載測速設備對于平流層低空氣密度低動態的飛行環境，往往不能精確測量得到動壓引起的壓強變化，因此需要研制平流層飛艇艇載實時精確測量駐留高度風場的裝置。現有的平流層風場探測方法，包括地基激光雷達、高空探空氣球等，得到的實時數據測量精度不高或者數據實時性較差，提供的均不是平流層飛艇駐留高度的實時風場精確數據。

艇載實時測量技術利用飛艇自身搭載的測風系統，通過測量飛艇運動與駐留高度風場的相對速度，結合飛艇GPS/北斗導航定位數據，能夠實時得到駐留高度的風向和風速，其特點是響應快、精度高、實時性強，得到的風場數據可以用于平流層飛艇的實時飛行控制。但其設計仍有較多問題需要解決，總結起來主要有以下幾點：

（1） 實時測量和高靈敏度的要求；

（2） 輕量化和低功耗的要求；

（3） 飛艇外形耦合影響分析；

（4） 平流層低溫低氣壓環境的影響。

結束語

作為現階段臨近空間飛行器的研究熱點，平流層飛艇研制是一項龐大復雜的系統工程，其技術攻關、系統研發及工程應用中遇到的諸多關鍵問題與技術難點，需要用全新的理念和創新的方案來解決。平流層飛艇要求其具有良好的長時駐空性能。由于大氣密度較低，飛艇安定面無法發揮效能，因此平流層飛艇前飛時處于氣動不穩定狀態，更依賴于主動飛行控制迎風飛行。

現階段，由于平流層低溫低氣壓的環境約束以及平流層飛艇對艇載設備的輕量化和低功耗的要求，使得艇載實時測風系統的研制尚存在一些問題。通過參考現有地基、航空機載以及航天星載大氣測量系統的對比分析，為平流層飛艇艇載風速風向測量系統的研制提供參考。

（責任編輯：朱赫）