国外系留气球装备发展与应用启示

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来源：海鹰资讯

作者：国防科技大学 邓小龙、麻震宇

系留气球是一种依靠囊体内轻于空气的气体提供浮力升空驻留、通过系留缆绳与地面锚泊设备连接的中低空浮空器，是目前技术发展和应用最为成熟的一类浮空器。系留气球装备具有留空工作时间长、耐侯性好、有效载重大、可机动部署、维护费用低等优点，通过搭载光学、通信、声波、雷达等任务载荷，被广泛应用于中低空的目标侦察、通信中继、低空预警、环境监测、科学测量等军民领域，成功用于执行边海防长时监测、战场阵地实时监测等军事任务。

系留气球装备

系留气球一般由球体、任务载荷、系留缆绳、锚泊平台、地面控制系统等主要部分组成。

球体是系统承载平台，采用柔性多层复合材料制作，外形通常设计为常规流线型球体和非常规扁圆形球体。依据球体积大小，系留气球装备可分为微型、小型、中型、大型、特大型和超大型。通常，系留气球体积越大，载荷搭载能力越强，驻空高度越高，驻留时间越长，保障需求越大。系留气球一般无动力和操纵面，流线型球体通过外形与尾翼的优化设计可提高平台稳定性，降低气动阻力，主要应用于中大型系留气球；扁圆形球体通过风兜或带龙骨的尾翼设计稳定球体，工程实现要求低，主要应用于微小型系留气球。

任务载荷通常安装在流线型球体腹部或扁圆形球体下方的安装平台上，根据任务需求和平台承载能力，主要搭载通信、雷达、光电、技侦等多种类型载荷进行长时间的信息支援保障、科学考察等任务。

系留缆绳是控制系留气球系统升空、回收、驻留、姿态调整的关键部件。与飞艇不同，系留气球通常不具备独立能源装置，需要通过缆绳从地面获取能源。同时，系留缆绳有时还为气球与地面系统提供信息传输通道。因此，系留缆绳应具有承受系留载荷、电力传输、防雷击保护等功能。

锚泊平台负责球体升降、控制和维护等任务，根据应用场景有地面固定式、车载移动式和舰载式等类型。地面固定式锚泊平台通常用于中大型系留气球系统的长期部署或试验场，车载移动式锚泊平台通常用于微小型机动式系留气球系统，舰载式锚泊平台用于为舰艇上的系留气球系统提供服务。

地面控制系统主要由遥控、遥测、指挥、应用等子系统组成，用于对球体与载荷进行状态监测、工作模式控制，完成数据分析处理工作和产品生成。

根据技术途径与工作模式，系留气球装备主要具有以下特点：

（1）驻空时间长。相比于重于空气的飞行器，系留气球装备依靠浮力升空，无需通过消耗能源克服系统重力，同时基于无人工作模式，使得其拥有较长的执行任务时间。一般来说，大型固定式系留气球装备单次部署的驻空时间可达到30天，微小型机动式系留气球装备单次部署的驻空时间也能达到一周以上，而有人机通常是数小时、无人机通常是数十小时。

（2）覆盖范围广。根据装备大小，系留气球装备可布置在数百米至数千米高度执行任务。对于小型机动式系留气球装备，300m驻空高度可以提供约20km范围的通信保障和观测覆盖，而4000m驻空高度的大中型系留气球装备则可监测半径350km的区域。

（3）机动部署能力强。系留气球装备的机动部署能力主要取决于其锚泊平台，对基于车载移动式和舰载移动式的系留气球装备，无需固定场地，具备垂直起降功能，对部署地点的适应性好，对操作人员数量和技术水平要求不高，可快速运送并部署到指定区域执行任务。

（4）使用效费比高。首先，采购成本比同等功能的飞机低，比飞机的留空小时数占比高，可减少采购数量；其次日常使用成本低，没有燃油、机械保障等需求；第三是可重复使用，根据需求回收、升级、改进或替换任务载荷，能够以较低的经费代价形成新的作战能力。

典型系留气球装备发展现状

系留气球是最早应用于战场的飞行器装备之一，在二战中被用于城市作战、登陆作战中的军事目标防卫任务。随着近年来在氦气工业化生产技术、高性能囊体材料技术、计算机辅助设计技术、高压系留缆绳技术、航电技术、载荷技术等关键技术方面的突破，系留气球装备的系统性能取得了长足进步。当前，美国、俄国斯、以色列等国家具备自主研制、批量生产系留气球装备的能力，其研制与应用能力代表了当前世界最先进的水平。

1、美国系留气球装备

美国是目前系留气球装备型谱最全、应用最多的国家，其主要系留气球装备供应商有Lockheed Martin公司和TCOM公司。近年来，随着美军作战对微小型系留气球装备需求的增加，Drone Aviation等研制了机动性能强、部署便捷的微小型系留气球装备。

TCOM公司是生产了战术级、战役级、战略级等三个级别多种型号的系留气球装备，均采用了流线型球体设计。如表1，12M和17M系列系留气球为战术级装备，针对快速部署、撤收、再部署的陆地战场监视应用，具有系统紧凑、操作便捷等特点，可搭载可见光、红外、通信中继类载荷为身处复杂地型或偏远地带的地面部队提供信息支持，该类装备被美军成功应用于伊拉克和阿富汗战争，并为美国海关与边防巡防队提供美墨边境巡防平台。22M和28M系列气球为战役级装备，主要针对海上监视应用、重要区域和边防的监视应用，可通过机动式或固定式锚泊平台进而部署，具备灵活的应用模式、较长的驻空时间和较强的载荷能力，是应用最广泛的系留气球装备之一。由于其突出的海防、港口安防解决能力，28M系留气球系统荣获2017年度国土安全奖。战略级系留气球装备包括71M和74M，是当前世界上最大的系留气球装备之一，主要用于对如轻型无人机和巡航导弹等低、小、慢飞行目标探测应用，具备强大的载荷能力和更高的工作高度，可搭载长程雷达、主动/被动通信设备为国土与战区防御提供长达30天的保障，由于尺寸巨大，该类装备采用固定式锚泊平台。

表1  TCOM公司系留气球装备

图1  28M战役级系留气球

Lockheed Martin公司研制了基于流线型球体设计的系留气球装备，如表2所示。其中，56K型系留气球装备最早于2004年被美军应用于伊拉克战场，通过携带光学载荷，用于为巴格达附近地面部队和重要据点的防御。后来，56K系留气球装备被部署到舰艇上，由美国海岸警卫队用于边境监控任务，用于对其东南部海域的长期监视。74K型系留气球装备被用于美军持续威胁探测系统（Persistent Threat Detection System, PTDS），提供远程情报、监视、侦察和通信保障，并应用于阿富汗和伊拉克战场，在战场上的执行任务时间超过了100万小时。420K系留气球装备是唯一在美国运行的大型系留气球，通过搭载L88广域监视雷达，建立了美墨边境地区的系留气球雷达系统（TARS），用以监视低空的飞机、海上和水面的目标。

表2 Lockheed Martin公司系留气球装备

装备型号	56K	74K	275K	420K
长度(m)	33	35	57	63.5
体积(V3)	1600	2100	7800	12000
载荷重量(kg)	225	500	450	1000
高度(m)	760	1500	3700	4600
驻空时间(天)	-	30	10	30
工作风速(km/h)	-	120	-	-

图2 74K系留气球系统     

基于420K系留气球的TARS系统

Drone Aviation公司是一家从事系留无人机与系留气球装备的生产商，基于对现有成熟浮空器与网络化载荷的技术融合，研制了一类可快速部署的小型战术系留气球装备 Winch Aerostat Small Platform （WASP）。该气球装备主要采用扁圆形球体设计，配备快速充放气设备，可与车辆集成使用，仅需2-3名地面操作人员，可用于8km的地面监控和40km的通信保障，具有机动性能强、保障要求低、操作便捷等突出优点。近年来，美军对快速机动部署、持续信息保障的需求快速增加，该公司获得了大量美国国防部订单，并已应用于战场实战。

表3 Drone Aviation公司系留气球装备

装备型号	WASP
体积(m3)	70
高度(m)	500
载荷重量(kg)	18-40
驻空时间(h)	72

图3  车载型WASP系留气球装备

2、俄罗斯系留气球装备

俄罗斯是浮空器研制和应用的传统大国，也是最早在战场上应用系留气球的国家之一。经历一段停滞后，随着对系留气球装备的强烈需求，近年来俄罗斯再度重视系留气球装备研发，形成了较为完整的装备型谱。

目前，Augur-RosAerosystems是俄罗斯飞艇与系留气球装备的主要供应商，系留气球装备基于流线型球体设计。如表4所示，Irbis和Lynx是小体积系留气球装备，充气放飞阶段需要4-6人，工作阶段仅需2人，主要用于60-70km范围的大型活动安保服务和边境防卫。Gepard中型系留气球装备，地面保障人员需要约8人，通过搭载小型雷达系统，执行170-300km范围的低空飞行目标、地面与海面目标探测识别任务。Tiger是大型系留气球系统，主要装备雷达、光电等载荷设备，用于半径230km范围的防空预警、电子侦察、边境防卫等应用。Puma系列是世界上最大的系留气球装备之一，可搭载大功率雷达承担380km范围的监视、识别和跟踪等任务。

表4 Augur-RosAerosystems系留气球装备

图4  Irbis系留气球装备 

Tiger 系留气球装备 

Puma系留气球装备

3、以色列系留气球装备

以色列RT LTA公司研制的Skystar系列是一类微/小型系留气球装备，目前在世界范围内被广泛应用于军用和民用任务中。作为一种战术型单兵系留气球系统，Skystar系列系留气球装备采用扁圆形球体技术方案，体积均不超过200m3，可集成在小型车辆上，具有机动性强、易于部署、放飞回收简单，仅需1-3人操作，可以使用轻便的操控系统进行载荷控制与应用。

目前，针对应用场景不同，Skystar系列共有5种型号，如表5所示，主要是区别在于载荷搭载能力和驻空高度。Skystar 100系留气球系统是一种单兵装备，全系统可打包至两个背包，由单兵背负，配备有小型手持式操作系统，可用于近距离监视侦察、武装保护、态势感知、搜索救援等。Skystar 180系留气球系统主要针对安保监控任务，可实现5km半径范围的实时监控，主要被用于大型公共活动和政治活动的安保。Skystar 220与Skystar 250系留气球系统适用于中等距离监视，主要用于空中情报、监视、侦察和目标获取、边海防监视、军事基地与据点保护。Skystar 330主要针对军营和军事力量保护、区域态势感知任务，可实现15km范围的持续、实时情报监视与目标获取。

表5  Skystar系列系留气球装备

装备型号	100	180	220	250	330
直径(m)	3.6	6.3	6.4	7.5	7.7
部署时间	20	20	20	20	20
载荷重量(kg)	8	5	9.5	11	35
驻空高度(m)	100	180	300	300	500
驻空时间(小时)	6	72	72	72	72
工作风速(km/h)	74	74	74	74	74

图5  Skystar 100

Skystar 200

Skystar 330

系留气球装备的关键技术

1、系留与收放技术

系留是系留气球持久驻空和执行任务的基础，是系留气球有别于其它类型浮空器的主要特点，主要通过系留缆绳和地面锚泊平台完成。系留缆绳在功能上要具备传输电力与信号、预防雷击等能力，在性能上要重量轻、柔软性好、可反复收放和弯曲等特点。

收放子系统是进行系留气球安全收放、部署和重复使用的关键部件，通常安装在锚泊平台上，其机械组成主要包括储缆机构、排缆机构和张力释放机构等。系留气球的收放子系统在实现缆绳的释放与回收的同时，还应当考虑系留气球动态过程的负载变化、系留绳缆的特殊保护要求等。

2、雷电防护技术

系留气球装备工作在几百米至几千米高度，是雷电发生的主要区域。雷击或附近环境放电会对球载电子设备、载荷产生严重的影响，因此系留气球装备必须具备雷电防护能力。雷电防护主要包括雷电直接效应防护和间接效应防护。直接防护主要通过避雷针、避雷索、避雷塔等手段进行防护，也通过气象环境预警等手段进行躲避。间接防护采用在系留气球设计中考虑屏蔽、布线、接地、浪涌防护等技术手段，防止感应过电压、地电位反击等影响。

3、小型化与多功能化技术

随着载荷集成度的不断提高，及应用任务向着综合化和单一化两个方向发展，系留气球系统的发展呈现出向着大型和微小型系留气球装备方向发展。大型系留气球装备主要针对国防领域的战略应用，围绕着高性能、多功能等方面开展技术研究；微小型系留气球装备针对军事战术应用和民事应用，主要围绕小型化、集成化、低成本等方面开展技术研究。

典型军事应用模式

1、战场侦察监视

目前，无论是陆战场还是海战场，作战部队侦察监视主要依靠天基侦察和近地抵近侦察等方式。天基侦察是通过侦察卫星进行侦察监视，卫星侦察虽覆盖面积大，但由于侦察周期较长、资源宝贵等限制，难以保障实时、持续的战场监视。地面抵近侦察主要依托空基有人机或无人机装备，虽侦察效率高，但续航时间非常有限，难以开展长时间的观测侦察任务。

系留气球装备可以根据作战任务的要求，快速部署到战场附近空域，执行长时间、不间断的战场侦察监视任务，且其观测成本低、空间和时间分辨率高、观测范围大，可有效提升战场态势感知能力，有效补充战场侦察监视需求。

图6 系留气球战场侦察监视应用场景

2、持续边境防卫

边境防卫一直是世界各国的重要任务。近年来，随着无人系统技术的发展与应用，边境防卫面临的挑战更加突出。美国海关和边境保护局在30年开始使用系留气球装备监测和打击低空小型飞机的非法交易，在1980年代初，每年截获超过8500次从南部国家闯入的违法飞行事件。自2013年起，从美国空军接手覆盖美墨边境的8套TARS系统（如图7所示）。该系统的应用对于跨境的违法飞行行为产生了强大的威慑作用。目前，通过空中途径的违法飞行基本消除。

系留气球装备可根据边境防卫任务要求，充分发挥其可长期驻空停留的优势特点，在边境地带部署组成防卫监测网，可有效增强边境防卫能力。

图7 美墨边境的TRAS部署示意图

3、对空监视

“低小慢”飞行器通过利用地球曲率和地形障碍，使得陆基雷达难以及时发现目标。随着“低小慢”飞行器技术的快速发展与应用，低空入侵面临严峻挑战，保持持续的空中安全成为一项紧迫任务。预警机虽可短时间内提高预警能力，但其长时间的运营成本很高，难以实现全天候的对空预警监视。以美国为代表的各国不断推进系留气球装备研究，搭载预警系统的系留气球逐渐成为防空反导的重要力量。

系留气球装备针对低空飞行的目标，通过装载下视雷达或光学传感器等设备构成广视角和高分辨率的有效组合，对一个较大范围的空域进行侦察和监视，成为全天候监视空中区域的“天眼”，可有效拓展对地雷达视距，提升感知低空威胁冲突的能力。

启示与建议

系留气球作为一类较成熟的装备，具有留空时间长、载重能力强、部署方便、使用效费比低等特点，具有广泛的军民应用需求。系留气球装备正将朝着大型化与微小型化双向发展、生存能力不断提升、机动能力提升、保障要求降低等方向快速发展，成为各大强国争相强占的新型战斗力。为实现系留气球的强大应用能力，需在以下几个方面加强：

1、关键技术攻关

根据系留气球的工作机理与工况要求，其对囊体材料、系留缆绳、收放设备等关键技术提出了特有的要求。囊体材料应具备轻面密度、高拉伸强度、低氦气泄漏、耐摩擦等特性，系留缆绳应具备抗拉强度高、重量轻、完成电力传输、防雷击保护等功能。收放设备需进一步突破大功率绞车、缆绳张力释放、自动化与智能化等技术。

2、系统设计优化

系留气球功能的实现极大程度上依赖于其系统的设计，这是一项涉及材料、结构、力学、能源、通信等多学科的复杂系统工程。当前，系留气球的发展正朝着两个方向发展：大型综合集成战略应用、微小型战术应用，这对于系统设计和优化提出了全然不同的要求。未来超大型载重、多功能一体、陆海空全方位适用的先进系留气球装备的成型，需通过多学科耦合的仿真、综合的分析计算、多条件约束下的放飞试验等途径，在其各分系统设计、总体系统设计上需要进行更深层次的优化。

3、应用领域拓展

除作为一种防御性武器装备、实现其强大的军事价值外，系留气球还可广泛应用于民用领域。系留气球使用维护的低成本、放飞部署的灵活性、大范围的覆盖以及超过常规运输设备的载重能力，可在环境监测、科学测量、通信覆盖等众多领域发挥其优势功能。