張軍，李軍，尹云玉，塵軍，陳政

(北京空間物理重點實驗室，北京 100076)

0 引言

伴隨著人類空天理想不斷拓展，空天在經(jīng)濟、軍事等活動中的作用日益明顯。俄羅斯在國家戰(zhàn)略中提出:空間不只關(guān)系到一個國家的威望，更意味著最新的技術(shù)，這些技術(shù)是國家經(jīng)濟競爭和安全保障的基礎(chǔ)，可以說空間是世界穩(wěn)定的基礎(chǔ)［1］。美國也指出:控制空間是美國繁榮與安全的國家構(gòu)想，控制空間使一個國家在空間中占據(jù)優(yōu)勢，并具有控制或者統(tǒng)治所有空間活動的能力［1］。

空天，其最高結(jié)構(gòu)形式是空天一體，它是空間無縫思想的重要組成部分，反映了航空航天技術(shù)融合和拓展的趨勢。未來，國家安全和利益將系于空天，空天權(quán)益的爭奪是在空天一體架構(gòu)下，以網(wǎng)絡(luò)為載體的空天攻防，而這一動向的突出表現(xiàn)是以信息為背景的軍事作戰(zhàn)態(tài)勢樣式的轉(zhuǎn)變，和以信息裝備為基礎(chǔ)的體系作戰(zhàn)能力與思想的提升與拓展。

在信息裝備梯次發(fā)展，不斷更新的國際環(huán)境下，信息戰(zhàn)作為一種全新的作戰(zhàn)樣式登上舞臺成為必然［2］，在確保戰(zhàn)斗空間信息優(yōu)勢的同時，推動信息共享，保障全程綜合作戰(zhàn)［3］。這意味著在傳統(tǒng)的攻擊型武器之外，信息系統(tǒng)將成為左右戰(zhàn)爭走向的武器裝備。信息裝備的主要功能表現(xiàn)在:

(1)快速不間斷地對熱點或敏感目標的高分辨率偵察;

(2)高速高保真高可靠性信息傳輸;

(3)智能快速地對目標的識別、評估與決策;

(4)按照體系作戰(zhàn)需求的更大范圍信息共享;

(5)精確制導(dǎo)武器導(dǎo)引和遠程控制的技術(shù)支撐;

(6)相對傳統(tǒng)信息裝備更強的綜合信息攻防能力。

一段時間以來，信息裝備以地基和天基為主，如果從空天領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)來看，信息裝備的效能與運載工具休戚相關(guān)，運載工具成為約束信息裝備功能和功效的重要影響因素。當前，航空航天技術(shù)迅猛發(fā)展，信息系統(tǒng)與空天技術(shù)融合形成空天信息裝備將成為軍事裝備發(fā)展的必然趨勢。

1 臨近空間與臨近空間飛行器

2005年2月，美空軍秘密進行了施里弗-3太空戰(zhàn)模擬演習，臨近空間飛行器第一次作為情報偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視和通信平臺進入國際視野［4］。隨著近年來人類的空間尤其是臨近空間技術(shù)的飛速發(fā)展，臨近空間在信息領(lǐng)域的戰(zhàn)略意義日益明顯，臨機空間信息裝備的功能也日益發(fā)展壯大。

1.1 臨近空間

臨近空間是指距海平面20～100 km的空域。介于傳統(tǒng)航空器最高飛行空域與軌道航天器最低飛行空域之間［5］，包括大氣平流層(高度12～50 km)的大部分區(qū)域、中間層(高度50～80 km)和部分電離層區(qū)域(高度60～100 km)。臨近空間的環(huán)境具有獨特的特點:

密度特點:空氣稀薄、阻力較小，臨近空間內(nèi)密度隨高度上升呈指數(shù)規(guī)律急劇下降。稀薄氣體可以實現(xiàn)高超聲速飛行，并可為飛行器提供一定的升力和橫向機動控制力。

溫度特點:高度及晝夜等因素引起的溫度變化顯著，對該空域內(nèi)長時間駐留的飛行器的溫控系統(tǒng)設(shè)計提出了更加苛刻的要求。

風場特點:氣流運動以水平方向為主，在不同季節(jié)、空域上隨機特征明顯。20 km左右高度風速較小，適合低動態(tài)飛行器長時間定點駐留。

輻射特點:臨近空間空域伴有嚴重的紫外線、粒子射線，會對飛行器的機體、電子設(shè)備等產(chǎn)生不良影響。

其他特點:空域內(nèi)重力波、行星波及夜光云等復(fù)雜物理現(xiàn)象，對臨近空間飛行器將產(chǎn)生一定的影響。

1.2 臨近空間飛行器

臨近空間飛行器(near space vehicle，NSV)作為臨近空間系統(tǒng)(near space systems，NSS)的重要組成部分，是指利用臨近空間環(huán)境特點，實現(xiàn)在臨近空間長時飛行，并用以執(zhí)行特定任務(wù)的一類飛行器。

臨近空間飛行器主要有以下3個顯著特點:

(1)利用稀薄空氣環(huán)境實現(xiàn)高效飛行;

(2)克服臨近空間特有的物理環(huán)境實現(xiàn)持久自主飛行;

(3)執(zhí)行大空域、全速域、強機動、高生存、快響應(yīng)的特殊飛行任務(wù)。

臨近空間飛行器可以有效的與傳統(tǒng)航空和航天飛行器在功能上取長補短，能夠填補空域上的空白，促進從地面到太空的連續(xù)立體空天戰(zhàn)略的形成，構(gòu)建空天制衡與威懾體系，其分類情況如圖1所示。

2 臨近空間信息裝備在空天一體戰(zhàn)略中的作用

2．1 臨近空間信息裝備對信息作戰(zhàn)的變革作用

由于認識和技術(shù)上的限制，直至近些年臨近空間軍事與民事應(yīng)用價值才引起世界各國的高度重視，但對該領(lǐng)域系統(tǒng)科學的認知與研究還處于全面起步階段。特別的，在臨近空間信息化作戰(zhàn)、保障與應(yīng)用領(lǐng)域，依然缺乏持續(xù)協(xié)同其他空天信息平臺的，涵蓋偵察、探測、遙感、通信、情報等功能的信息裝備，功能特異的戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)級武器裝備的空白還有待填補。

從國家戰(zhàn)略發(fā)展的需求上看，臨近空間信息裝備在空天信息一體化系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用［6］(圖2)。其對信息攻防、信息作戰(zhàn)等相關(guān)科目的巨大影響主要表現(xiàn)在以下方面:

(1)滿足國家多功能、多種類信息裝備的需求

一個國家的安全形勢面臨著多方向、多對手、多領(lǐng)域、多性質(zhì)、多樣式的安全威脅，突發(fā)性事件、武裝沖突甚至局部戰(zhàn)爭的危險不能完全排除。同時隨著綜合國力的不斷提升，國家利益在全球范圍內(nèi)將持續(xù)拓展，突發(fā)性、隨機性的事件和反恐維穩(wěn)等任務(wù)日益增多，要求在處理上述事態(tài)時信息系統(tǒng)必須具備足夠的快速反應(yīng)能力。

(2)構(gòu)建完整的空天信息體系

臨近空間信息裝備與傳統(tǒng)的航空、航天信息裝備構(gòu)成一個連續(xù)的完整的信息空間，可以彌補它們功能上的不足，并協(xié)同各型航空、航天信息平臺充分發(fā)揮不同裝備的優(yōu)勢，使信息在完整的空間中實現(xiàn)偵察探測、干擾壓制、測繪導(dǎo)引、交換共享、辨識評估、分析處理等，為戰(zhàn)略決策與作戰(zhàn)使用系統(tǒng)提供強有力的信息支撐，促進新的信息作戰(zhàn)模式的產(chǎn)生與應(yīng)用，構(gòu)建“軟殺傷與威懾”體系，并將直接影響空天信息戰(zhàn)略的演繹與信息裝備的轉(zhuǎn)型。

(3)推動先進空天裝備跨越式發(fā)展

由于臨近空間高速飛行器得天獨厚的強突防、高生存能力，臨近空間信息裝備通過飛行器技術(shù)與信息技術(shù)的集成，其軍民應(yīng)用價值正在日益凸顯。對信息作戰(zhàn)(通信、監(jiān)視、偵察、情報、電子戰(zhàn))和空間攻防(遠程快速高效打擊平臺、高速可重復(fù)使用平臺、進出空間的中繼平臺)均將產(chǎn)生巨大而深遠的影響，同時從技術(shù)基礎(chǔ)角度形成對先進空天信息裝備發(fā)展的原始推動力。如以空天信息鏈為支撐的天對地精確打擊裝備、可重復(fù)使用空天往返飛行器、全球快速到達裝備，以信息應(yīng)用為主體的信息柵格、長期駐留“察打評”一體化平臺等等。可以說，臨近空間信息裝備無論從技術(shù)上還是從功能上將成為未來空天信息戰(zhàn)略的重要基石和戰(zhàn)效倍增器。

2.2 臨近空間信息裝備的獨特優(yōu)勢

信息化作戰(zhàn)是為了奪取和保持制信息權(quán)而進行的斗爭，亦指戰(zhàn)場上敵對雙方為爭取信息的獲取權(quán)、控制權(quán)和使用權(quán)，通過利用、破壞敵方和保護己方的信息系統(tǒng)而展開的一系列作戰(zhàn)活動。臨近空間的開發(fā)應(yīng)用可以增加信息作戰(zhàn)的手段，提高信息裝備的效能。

臨近空間飛行器相比于傳統(tǒng)航空器可以更高的速度飛行，傳統(tǒng)的航空器最大飛行Ma在2以下，而臨近空間飛行器最大速度可以接近第一宇宙速度。相比于傳統(tǒng)的軌道航天器，臨近空間飛行器飛行高度低，在特征目標區(qū)域上空的使用將更直接更有效。同時，臨近空間低速飛行器目標特征小，高速飛行器可采用先進的航跡規(guī)劃方式，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍機動，可有效避免高度20～80 km傳統(tǒng)防空武器系統(tǒng)的襲擾和攔截。

臨近空間信息裝備是臨近空間裝備系統(tǒng)的一個重要組成部分，將臨近空間高速飛行器與功能信息系統(tǒng)的優(yōu)點有機融合，成為未來空天一體信息戰(zhàn)略體系中的重要一環(huán)。相較傳統(tǒng)的信息裝備，臨近空間信息裝備具有鮮明獨特的優(yōu)勢:

(1)臨近空間信息裝備平臺飛行速度快、作用距離遠、機動范圍大，具有較強的生存能力和防御突破能力，可以在更加合適的位置對敵方的武器裝備實施信息進攻。

(2)可以長時間駐留，對特定目標進行長時間的高分辨率快速不間斷信息偵察，并可為精確制導(dǎo)武器提供高效導(dǎo)引與控制，也可以建立長時間的信息應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。

(3)臨近空間偵察具有更小的通信發(fā)射功率和更高的圖像分辨率。

(4)臨近空間信息裝備作業(yè)高度適中，有利于各種信息作業(yè)，具備較之傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)更為優(yōu)良的綜合信息對抗能力。

3 臨近空間信息裝備的發(fā)展趨勢與設(shè)想

3．1 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

3．1．1 臨近空間低速信息裝備

臨近空間低速飛行器(浮空駐留類和亞聲速飛行類)長期以來用于信息對抗領(lǐng)域。

美國空軍科學咨詢委員會2006年發(fā)布《在臨近空間高度持久存在》的研究報告，針對美國空軍近期(2010年)、中期(2020年前)和遠期(2020年后)發(fā)展臨近空間飛行器提出建議，明確了平流層飛艇和高空長航時無人機是美國空軍近期利用臨近空間的最佳選擇。

自由浮空器是相對廉價的臨近空間信息裝備(圖3)。近些年來，美國著力發(fā)展了“戰(zhàn)斗天星”、“哨兵1000”和“哨兵5000”2種飛艇空中預(yù)警系統(tǒng)、“近空間機動飛行器(NSMV)”、“攀登者”、高空飛艇(HAA)等多種駐留類空中預(yù)警系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要是完成偵察、通信、測繪、導(dǎo)引、干擾壓制等功能。

圖3 自由浮空類臨近空間飛行器Fig.3 Aerostat class near space vehicle

長航時、大機動低速臨近空間飛行器主要是高空無人機，其飛行Ma＜0．8，飛行時間長、距離遠、載荷能力強，飛行高度20 km左右。其發(fā)展目標是長航時、大載荷能力的臨近空間信息獲取和電子對抗武器系統(tǒng)和戰(zhàn)區(qū)長航時巡弋打擊平臺。主要代表有:“全球鷹”無人機、“探路者”無人機、“探路者+”無人機、“百夫長”無人機、“西風”無人機等。

美國高級研究計劃局的“禿鷹”計劃目前正在投資發(fā)展設(shè)計持續(xù)飛行時間為5年，設(shè)計飛行高度為18～27 km的太陽能無人機。

3．1．2 臨近空間高速信息裝備

臨近空間高速飛行器主要用于信息獲取和遠程打擊，包括高速偵察裝備、高速反輻射飛行器等。

典型的臨近空間高速偵察裝備如美國的SR－71和D－21(圖4)，是美國洛克西德·馬丁公司在20世紀60年代研制的高空高速偵察機。

圖4 SR－71和D－21高空高速偵察機Fig.4 SR－71 and D－21 high-altitude and high-speed reconnaissance

典型的臨近空間遠程快速打擊裝備如美國空軍和DARPA聯(lián)合開展的“獵鷹”計劃中的HTV－2，2010－04－22進行了飛行試驗，飛行Ma＞17，未來可以用于遠程信息對抗和目標精確打擊。

除此之外，依托遠程、高空、高速、強突防的獨特優(yōu)勢，臨近空間高速飛行器逐步形成了信息化作戰(zhàn)領(lǐng)域中的直接打擊裝備—反輻射飛行器。作為一種打擊、摧毀敵電磁探測設(shè)備特別是雷達設(shè)備的戰(zhàn)術(shù)武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中大量使用，已經(jīng)成為奪取制信息權(quán)的重要武器。反輻射飛行器曾用于越南戰(zhàn)爭、第4次中東戰(zhàn)爭、兩伊戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭以及伊拉克戰(zhàn)爭等，主要攻擊地空導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達和高射炮瞄準雷達，戰(zhàn)果顯著。

3．1．3 高低速組合臨近空間信息裝備

高低速組合臨近空間信息裝備可以集成高速裝備快速機動、低速裝備長時留空的優(yōu)點，是未來的重要發(fā)展方向之一。

高低速組合信息裝備結(jié)合了臨近空間高速飛行器快速與低速飛行器長時留空的特點，成為國外一些科研機構(gòu)陸續(xù)積極開展的信息裝備研究方向。典型的高低速組合信息裝備主要包括彈載信息裝備(包括彈載浮空信息裝備、彈載低速無人飛行信息裝備)、特殊飛行方式信息裝備等。

彈載浮空信息裝備如美國約翰·霍普金斯大學正在研制的一種折疊后可用巡航導(dǎo)彈或可重復(fù)使用火箭發(fā)射的充氣式飛艇“高空偵察機”(HARVe)，被發(fā)射到距海平面90 km高度后膨脹，并下降到21～30 km高度的目標區(qū)域上空，可留空兩周到一個月執(zhí)行監(jiān)視、通信任務(wù)。

彈載低速無人飛行信息裝備，典型的如《科學美國人》報道的美國防部執(zhí)行代號為“快眼”的計劃，該計劃旨在研制一種能夠搭乘彈道導(dǎo)彈的無人機，其質(zhì)量約為227 kg，從美國本土隨導(dǎo)彈一起發(fā)射，在1～2 h內(nèi)向世界各地部署，到達指定空域后從導(dǎo)彈彈艙中彈出，隨后啟動自身的動力系統(tǒng)和偵查設(shè)備，以執(zhí)行情報、監(jiān)視、偵查和通信任務(wù)。其特點是“快”，在緊急狀況下，可快捷地被投放到目標上空開展偵查活動，并且能夠連續(xù)進行7 h的偵查監(jiān)視活動?！翱煅邸睂⒊蔀槊绹鴤刹樾l(wèi)星的有效補充，大大增強美軍對全球的監(jiān)視能力。

特殊飛行方式信息裝備通過配備的高速動力系統(tǒng)可以從4 Ma迅速抵達目標區(qū)域，而后以0．8 Ma進行巡飛信息作業(yè)，并可作為打擊武器直接對目標進行攻擊。具備找得著(探測能力強)、跟得上(機動能力強)、攔不住(生存能力強)、突得進(突防能力強)等特點，具有作用范圍廣、壓制時間長、殺傷概率高、受氣候影響小、自動搜索、同時攻擊多個目標的能力。

3．2 臨近空間信息裝備的發(fā)展設(shè)想

臨近空間信息裝備作為該領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān)的物化成果，其研制和應(yīng)用是臨近空間飛行器科學發(fā)展的必然結(jié)果，考慮到臨近空間信息裝備發(fā)展的自身特點，需要統(tǒng)籌兼顧臨近空間飛行器研制、信息裝備、戰(zhàn)場分析等多個領(lǐng)域的需求，強化當前及未來一段時期內(nèi)臨近空間信息裝備在信息戰(zhàn)與信息作戰(zhàn)領(lǐng)域的綜合運用，將臨近空間信息裝備構(gòu)建為空天信息體系中不可缺少的一環(huán)，和空天裝備體系發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。

3．2．1 低速類臨近空間信息裝備

低速類臨近空間信息裝備在工程化方面漸趨成熟，在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域之外可進行深入拓展。

當前及未來較短時期內(nèi)，持久的、輕小型化、有組織的 C4ISR(command control communication，computer intelligence surveillance reconnaissance，即指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視和偵察)和衛(wèi)星地面通信能力是作戰(zhàn)人員非常希望得到的。能夠提供這些效果的衛(wèi)星資源，通常需要滿足高優(yōu)先級的戰(zhàn)略任務(wù)，而很難被戰(zhàn)術(shù)指揮員利用。軌道信息裝備因具有持久的信息支持能力帶來了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的革命，但運行成本的高昂為其他信息裝備提供了發(fā)展契機。臨近空間平臺使更長時間駐留的氣球、飛艇可以完成許多衛(wèi)星才能完成的信息作業(yè)任務(wù)。

長航時大范圍機動能力的臨近空間無人飛行平臺能承載多種任務(wù)載荷，在臨近空間長時間巡航飛行，是實現(xiàn)在臨近空間區(qū)域長時間進行情報、監(jiān)視、偵察和通信，實施空間信息對抗和攻防對抗的可靠平臺。與氣球和飛艇相比，其具有大范圍機動的特點，是近期在臨近空間進行持續(xù)過頂偵察、情報搜集和通信中繼的最好選擇。

應(yīng)該說低速類臨近空間信息裝備彌補了傳統(tǒng)航天、航空器偵察監(jiān)視、電子對抗、通信中繼、快速發(fā)射應(yīng)急補網(wǎng)能力的不足，是構(gòu)建航天、臨近空間、航空無縫信息網(wǎng)絡(luò)的必然選擇，也是未來臨近空間信息裝備功能拓展的基本方向之一。

3．2．2 高速類臨近空間信息裝備

高速類臨近空間信息裝備具有“擾、突、打”的本征特質(zhì)，將以遠程防衛(wèi)打擊為主要發(fā)展方向。

臨近空間高超聲速飛行器可以采用大范圍機動的飛行航跡規(guī)劃原則，能夠有效突破敵防御系統(tǒng)，而且能更進一步針對防御系統(tǒng)的關(guān)鍵信息節(jié)點—探測雷達和預(yù)警飛機等實施攻擊，可以為其他武器使用起到開路先鋒的作用，將大幅度提升信息化作戰(zhàn)裝備的地位和作用。當前，世界范圍內(nèi)，針對臨近空間高速飛行器的有效攔截和襲擾手段非常有限，臨近空間反輻射高速飛行器正是利用了高空、高速、強突防的優(yōu)勢，形成了對信息中樞的有效打擊和攝止。能夠以相對較小的代價對敵戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)役甚至戰(zhàn)略體系形成破襲，所謂“存在即威懾”即是通過臨近空間高速的信息作戰(zhàn)裝備，遂行非對稱打擊任務(wù)，以較小的成本形成對強敵有效的威懾能力。

3．2．3 高低速組合臨近空間信息裝備

高低速組合臨近空間信息裝備需求迫切，或?qū)⒊蔀檫h程信息應(yīng)急保障的新型支撐力量。

隨著信息作戰(zhàn)與應(yīng)用模式的不斷演進，信息資源獲取和利用方式日趨多元化，傳統(tǒng)軌道航天器、航空飛行器以及地面信息設(shè)備已越發(fā)不能滿足人們對全球熱點地區(qū)信息的快速反應(yīng)、實時/長時/不間斷獲取、處理要求，此外在應(yīng)對如防災(zāi)減災(zāi)、災(zāi)害救援搶險、處理突發(fā)事件等方面，信息裝備的投送和運載方式有了新的更全面的要求，快速、安全、有效的信息裝備布撒與作業(yè)方式將成為是未來的必然選擇方向，自然便形成了低速信息裝備與高速投送載具之間的銜接與應(yīng)用流程的全新思維。

可以有效借鑒國外彈載偵察設(shè)備的成功經(jīng)驗，開展相關(guān)領(lǐng)域的前瞻性、趨勢性研究，利用臨近空間高速運載器攜帶低速留空平臺(配置具體的信息作業(yè)載荷)快速運送至目標區(qū)域上空，通過低速留空平臺布撒、展開，執(zhí)行區(qū)域偵察、通信中繼、信息壓制與干擾、作戰(zhàn)效果評估等多種任務(wù)。高低速組合臨近空間信息裝備既可充分發(fā)揮臨近空間高速飛行器遠程、快速、精確的優(yōu)勢，把有效載荷運送最適合的位置展開工作，又能發(fā)揮臨近空間低速浮空/飛行平臺長時留空的優(yōu)勢，進行長時有效的信息作業(yè)，形成了對其他信息裝備的有效應(yīng)急補充，是未來臨近空間信息裝備的重要發(fā)展方向。

此外還可以發(fā)展以低速反輻射為特征的特殊飛行方式信息裝備，其實施途徑是借助臨近空間高速飛行平臺(飛行Ma＞4)快速抵達作戰(zhàn)目標區(qū)域后，減速至亞聲速后啟動第2階段飛行方式，在目標上方空域巡飛執(zhí)行偵察、壓制、監(jiān)視等任務(wù)，并可依據(jù)戰(zhàn)場實時情況直接對目標進行打擊，是集信息與打擊功能為一體的優(yōu)良信息作戰(zhàn)裝備。

4 結(jié)束語

本文通過分析未來空天信息應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢，研究了空天信息裝備體系對臨近空間信息裝備需求，結(jié)合國內(nèi)外臨近空間信息裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，給出了未來臨近空間信息裝備的發(fā)展設(shè)想，并通過對其功能的闡述，分析了臨近空間信息裝備的主要技術(shù)實施途徑和應(yīng)用領(lǐng)域。

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