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第一章绪论1.1课题研究的背景、目的和意义人类文明的发展史,从一个侧面,可以看成是一个不断扩大其活动领域的历史。人类先是在陆地活动,2000多年前扩大到海洋。20世纪初,人类飞离地面到了空中,20世纪50年代进入太空。人类每进入一个新的领域,都标志着其社会知识和财富的积累及其科学技术水平的质的飞跃,都是世界性的大事。随着科学技术的发展，人类也向着更高层次发展。近空间飞行器成为了最近世界上的热门话题，这个始于现有航空器可控飞行的最高高度，止于航天器维持近地轨道飞行的最低高度范围的领域的飞行器具有非常广阔的发展前景。在军事和民用上都有着广阔的应用。在军事上可用于:情报搜集、通信保障、侦察监控,武器装备系统的远程战略投送,做到“全球即时到达”。近空间飞行器被认为对于增强陆、海、空、天、武器装备的无缝连接,扩展信息优势,提高联合作战能力,具有十分重要的应用潜力,并且有可能进一步发展成为空基作战武器。在民用方面主要可用于：环境变化和气象数据探测,交通及环境污染监控,洪水、火灾或地震等灾害监视和指挥救援,局域通信,数据传输中继,移动通信等,以及发展成为未来超高速空中交通运输平台。近空间飞行器与其他飞行器相比较具有三大独特优势优势之一：目前世界上绝大多数的作战飞机和地空导弹都无法达到这一高度，且外太空武器还没有进入实战阶段，临近空间便成了相对独立的真空层，从而有相对安全的工作环境优势之二：临近空间飞行器能够比卫星提供更多更精确的信息并且载荷能力强效费比高部署速度快机动性好有效载荷技术难度小易于更新和维护优势之三：与传统飞机相比，临近空间飞行器（1）持续工作时间长传统飞机的留空时间以小时为单位，临近空间飞行器的留空时间则以天为单位；（2）覆盖范围广临近空间飞行器的飞行高度在传统飞机之上，其侦察覆盖范围比传统飞机要广得多；（3）生存能力强气球或软式飞艇的囊体采用非金属材料而且低速运行，雷达和热反射截面很小，传统的跟踪和瞄准办法不易发现。1.2近空间的应用方向及国内外的研究现状1.2.1近空间的基本概念在物理上,根据大气层热力结构随高度分布可划分为:对流层、平流层、中间层、热层和散逸层等5个层次。对流层高度随纬度与季节等因素变化。低纬度地区其高度大约为16∼18km,高纬度地区高度只有8∼9km.对流层中风速、风向经常变化;平均风速在2km附近达到第一个最大值,以后逐渐减小,20km以后又开始较快增长,在70km附近出现第二个最大值,风速可以达到60∼70m/s.空气的压强、密度、温度、湿度也是变化的,风雨雷电等天气现象也发生在这一层。平流层距地面高度大约为20∼50km.由于大气密度是随高度逐渐减低的,到达32km高度,密度只有地面时的1/100左右,在50km处,密度已不足地面的1/1000.该层中大气基本没有上下对流,也没有雷电等天气现象,水平方向的环流风速均匀,一般为10∼25m/s,冬季与夏季方向完全相反,冬季为西风、夏季为东风.在20∼40km高度存在一个臭氧层,在30km左右,臭氧的密度达到最大浓度,其值可达1012/cm3,处于分子态,能吸收99%的紫外线;40km以上,几乎没有臭氧,使大量紫外线穿过而未被吸收,紫外线强度极高;大气在紫外线作用下开始电离,形成大量正、负离子和自由电子,其含量约为大气层平均含量的30倍.在平流层中,宇宙射线通量高,高能粒子辐射强度大。中间层高度大约为50∼80km,层中大气已经非常稀薄,在80km高度上,空气密度只有地面的五万分之一,层中大气总质量大约只占地球大气总质量的1/3000。80∼800km为热层,在300km高度,气温可高达10000◦C。800km以上为散逸层.临近空间包括了平流层、中间层和热层下边界的一部分。1.2.2近空间的应用方向新军事变革和军事思想的发展,使得在提高作战效果方面对低速近空间有着强烈的需求,同时相关技术的进步,为近空间平台发展提供了可能.目前,低速近空间飞行器已是美国联合作战概念的有机组成部分,其中心思想是将近空间作战能力融合到联合军事作战中,以获得持久性的指挥、控制、通信、情报、监视与侦察(command,con-trol,communication,computer,intelligence,surveil-lance,reconnaissance,C4ISR)能力.近年来在技术方面虽已取得很大进展,但仍有一些关键问题需要进一步研究解决,以不断扩展和增强其应用价值。低速近空间飞行器类型主要有:气球、飞艇、无人机和太阳能飞机等.近年来的主要进展可归纳如下:(1)近空间飞行器概念引入作战演习、逐步加深实用化研究。2005年初,美国空军航天司令部向空军研究实验室下达了近空间军事应用研究任务,分别就近空间平台与有效载荷以及近空间平台投入战场使用后对指挥、控制和后勤的影响进行研究,并对近空间平台的军事应用价值与脆弱性进行评估。其研究结论是:近空间确实具有军事应用价值,除用作通信中继外,还有许多其他用途。2005年2月,美军在内华达州内利斯空军基地秘密进行了“施里弗-3”太空战模拟演习,首次将近空间飞行器引入演习.这次演习的重点是探讨假想在2020年发生的反恐战争中,如何使用航天装备支援陆海空联合作战.“施里弗-3”还演习了空间系统防护。2005年6月,美国空军航天司令部委托美国国防工业协会对近空间的任务应用、军用价值以及部署近空间系统所面临的技术挑战开展深入研究.美国国防部导弹防御局在高空飞艇计划中提出,要将平流层用于国土防空、战区监视以及在加装激光武器后用于弹道导弹防御.美国国防部2005年8月,公布《2005年∼2030年无人机系统路线图》,首次将无人飞艇列入无人飞行器系统范畴,其中包括:高空飞艇(highal-titudeairship,HAA)和近空间机动飞行器(nearspacemaneuveringvehicle,NSMV)两种近空间飞艇.(2)大型高空飞艇和平流层信息平台研制取得重大进展.美国、欧洲、俄罗斯、日本、韩国等都在大力发展.美国:20世纪60年代以后,由于技术和安全等方面的原因,飞艇曾一度停止了发展.90年代以后,开始发展“哨兵”系列预警飞艇.1996年,美陆军开始执行“浮空器先进技术演示计划”.1999年10月,研制STI反恐飞艇,长61m,容积7200m3.2003年初,美空军施里弗基地和空间作战实验室开始实行“近空间机动飞艇计划”,第一个试验型叫做“攀登者”.2003年伊拉克战争之后,加紧“海象”巨型飞艇研制,可一次运送1800名士兵和500吨装备,航程可达11000km.2003年9月洛马公司得到国防部大型HAA研制合同,经费4000万美元,计划2006年交付第一架样机,作为美导弹防御系统的预警和信息平台.与此同时,美国导弹防御局“高空飞艇先进防御技术演示计划”(advancedcon-cepttechnologydemonstration,ACTD)启动.2004年,公布的“军事行动快速响应空间”(operationallyresponsivespace,ORS)和“联合作战空间”(jointwarfightingspace,JWS)线路图中包括了近空间发展计划内容.2005年5月,美国SanswireNetworks公司开发的一种称为“平流层卫星”的近空间飞艇,按计划完成了原型机的演示验证,该飞艇可用于国家安全和其它军事目的.2005年11月在美国陆军空间和导弹防御司令部资助下研制的高空哨兵(HiSen-tinel)飞艇成功进入近空间,留空达5小时,成为继美国攀登者之后成功进入近空间的第二艘平流层飞艇.现在,美国从事近空间飞行平台研制的单位有几十家.主要有:LockheedMartin(一家以军事电子产品研发为主的公司,在兼并了Loral公司后,进入浮空器开发领域);SanswireNetworks(Globecom-municationsCop.公司的一家子公司,开发平流层无线电通信平台StratelliteTM);Aeros(曾参与高空飞艇计划投标,失败后,2005年宣布将开始高空飞艇第二阶段研制计划)等.俄罗斯:1992年成立的阿夫古力浮空器中心是一个现代化的研制实验基地.2003年研制出长度为34m,容积为1250m3的双座载人飞艇,可升空1500m;2006年又研制成功8座的.目前正在研制的高速长航时载人飞艇,长268m,载重180t,速度为170km/h,航程可达15000km.Rosaerosys-tems公司是从事系留气球和飞艇研制的专业单位,飞艇研究计划分两阶段:第一阶段是容积9000m3的试验艇,升空4000m;第二阶段,升空20000m.此外,阿夫古力浮空器中心还制订了一个叫做“金雕”的平流层飞艇方案,飞艇长250m直径50m,容积320000m3有效载荷可达1200kg,飞行高度为20∼22km,两个这样的飞艇即可覆盖整个欧洲,可部分代替静止卫星,用于通信、观测和其它军事目的.英国:ATG(advancedtechnologiesgroup,)公司是从事平流层飞艇研发较早的单位,开发的Strat-star飞艇,已完成概念设计,2002年进行了验证艇低空试飞,现正与马来西亚合作研制平流层目标艇.该公司高空无人飞艇“天猫”(SkyCat)计划始于2002年,包括两种飞艇,其中SkyCat-1000型,可装载15辆英国的主战坦克,飞行高度20km;SkyCat-2000有效装载量可达200t,航速180km/h,航程可达11000km.德国:SanswireTAO公司研制链式多气囊平流层飞艇,预研工作在斯图加特大学进行,与国内外许多单位有合作.日本:1998年成立了由邮政省和科技厅以及许多大学、企业单位参加的飞艇研发国家项目,计划用15个平流层平台覆盖全部国土面积.1998年JAXA开始平流层飞艇研究.2004年,试飞了一艘平流层试验飞艇,长68m,容积10500m3,飞高4000m,耗资2亿美元.韩国:1998年,韩国由信息通信部支持完成飞艇平台可行性研究,开始大型飞艇的研制工作.2003年试飞了一艘平流层试验飞艇,长50m,可在3000m高空停留3h.计划研制长200m的平流层飞艇,2007年试飞,2010年投入商业运营,投资约3000万美元.飞艇未来发展趋势:(1)大装载:法国AVEA计划载重200-500t;美国“海象”军用运输艇500∼1000t;英国“天猫”-1000,起飞重量达1000t,能连续留空30d.(2)超高空:以色列侦察飞艇飞高21km.美国“轨道攀登者”30∼50km.2003年11月间,“攀登者”被放飞到30km高空进行试验,并在地面控制下返回.2004年6月,“攀登者”(ascender)巨型飞艇装载通信和监视设备进行试验.(3)多用途、非常规、组合式、升/浮混合式:“黑暗空间站”组合式飞艇是由多个飞艇单元组成的巨型飞艇(最大长度可达3200m),空浮高度可达30km以上.美国国防部高级研究计划局(defenceadvancedresearchagency,DARPA)的近空间探测传感器飞艇计划(integratesensorisstruc-ture,ISIS).飞艇长150m,最大直径50m,体积300000m3,升限20000m.把巨大的艇体表面作为监视雷达天线窗口,解决内部空间小,无法安装大口径天线的矛盾.从而大幅度提高天线辐射能力,使其探测距离、分辨率、和多目标跟踪能力大大增强.这一平台能在空中滞留数月至数年.(3)高空长航时无人机研制有重大技术突破并投入实用无人机包括无人侦察和作战飞机,是无人飞行器(unmannedairvehicle,UAV)中最重要的一类,此外还包括无人直升机和其它无人驾驶航空器.现代和未来战争非常重视和依赖获取信息和掌握制信息权,无人飞行器在这方面显示了巨大优势;无人飞行器可以完成许多有人驾驶飞机难以执行的极其困难而危险的任务,实施复杂作战环境下的空战和对地攻击作战,具有极大的军事应用潜力.早在越南战争其间,美国就大量使用无人侦察机用于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