军迷春节聚会的时候，总是少不了各种谈资。比如临近空间的预警飞艇为何至今无法实用化，就是不错的话题。

　　一：什么是临近空间？为什么飞机和航天器不能长时间在临近空间飞行？

　　所谓的临近空间是指距离地面高度2万米到100公里之间的区域。但是和此次中国临近空间飞艇首飞新闻报道中不同的是，飞机和航天器是可以在临近空间飞行的，只是时间不能维持太久。实际上稍有军事常识的人都知道，最大飞行高度超过两万米的战斗机是相当多的，而且在50年代就出现了。
　　对于飞行速度非常高的航天器来说，临近空间的空气虽然稀薄，但形成的阻力仍然过大了。在临近空间飞行会使它必须要额外消耗很多燃料来维持高度，否则就必须返航或者在大气层中坠落烧毁。

　　对飞机载人飞机来说，它要在座舱内维持足够的气压，保证飞行员的生命安全；因此要从发动机压缩空气的过程里，抽取大量空气送进座舱。整个这一类设计的工作极限，就只能到2.5万米，因为空气密度已经只有海平面的1/40了，工作效率已经低到临界点了。再往高就必须采用宇宙飞船式的全封闭设计。

　　人类不仅没有造出过能在2.5万米附近长期飞行的飞机（这个高度和以上的记录，都是飞行员玩命短时间冲刺的结果，无法停留），实际上要维持在2万米附近长时间都非常难。空气密度低到地面的1/14，使飞机需要很高的速度才能维持足够的升力，抵消自身的重量；而发动机又损失推力特别大，要多烧好多的油。

　　要长时间（最低数天以上、长则一年以上）维持在1.8万米到3万米之间（再高就超出现在人类的科学工程技术水平了）高度的有动力飞行，目前唯一可行的方法，就是利用飞行器自身的浮力来克服重力，飞行的动力由太阳能电力系统提供（这样可以把重量减少到最小）。

　　我国此前放飞的临近空间飞艇，就属于这类设计。它通过在气囊内灌充非常轻的大量氦气，使整个飞艇的密度比2万米以下的空气还小，因此维持两万米高度本身不需要额外的消耗动力。

　　二：临近空间飞艇有哪些特别明显的优势？

　　相对于飞机和卫星来说，飞艇在性能上有三大优势。第一是在同一地点的维持存在时间极长，第二是使用费用低，第三是探测能优势明显。这使它在通信中继、对地监控、防空警戒上有着非常大的潜力优势。

　　由于距离远、功率有限，通信卫星的带宽不仅昂贵而且资源紧缺。而现在的军事侦察手段对于带宽的要求正在越来越高，比如全球鹰这样能实时发挥大量高清照片和视频的战略侦察机，只要几架，就能在数千平方公里以内消耗掉所有的卫星通信资源；再增加数量，就只能挤占其它系统的份额了。

　　而临近空间飞艇可以携带通信中继设备，极大的缓解通信卫星的工作压力。早在2003年，美国空军的空间战实验室，就在名为“攀登者”的试验飞艇上实现了三万米高度的初期试验。除了悬浮、降落、返航等基本飞行控制功能的验证外，最主要的就是通过携带的45公斤重的通信和监视设备，完成通信中继和对地监控任务能力的验证。

　　ISIS飞艇，上面蓝壳子是太阳能电池，中间竖起来的罐子是大型相控阵雷达
　　此外长时间的高空滞留能力，也使它在对地和对空监测上有着特别强的潜力优势。2006年，美国空军科学咨询委员会发布题为《在临近空间高度持久存在》 的报告， 对临近空间平台建设发展进行了中长期规划。

　　其中“传感器与结构一体化（ISIS）”飞艇，设计重点就在于利用飞艇搭载大型相控阵雷达，利用高度优势，针对伊拉克、台湾海峡、伊朗进行战时监控。根据论证结果，一艘ISIS定点在伊拉克中部，就能覆盖伊拉克全境；定点在菲律宾北部的吕宋海峡上空，就能覆盖台湾海峡、台湾岛、台湾以东海面。

　　图：美军的JLENS系留式飞艇，高度在3000米，能连续运行30天，主要为防御巡航导弹开发
　　但就目前来说，受限于能源等问题，真正能做到7天/24小时不间断的高精度监视（信息精度达到火控级别，能直接用来引导导弹等武器攻击目标），发挥滞空和高度优势的飞艇，还只能是停留在中空的系留式飞艇。它可以通过与地面之间的电缆来满足探测设备的需要。

　　三：临近空间飞艇真正实用化的技术难点何在？

　　总的来说，临近空间飞艇有很大的军用潜力，但是目前还受制于很多技术上的障碍，不能真正的实用化。目前最主要的难点在于材料、能源、动力/飞行控制三个方面。材料比较好容易理解，飞艇的骨架、气囊、外壳这些部件都要越轻越好，因为它们都是死重，要挤占各种设备的重量。

　　尤其是飞艇在两万米高度时，空气密度非常低，增重1公斤，就要至少10立方米以上的氦气囊体积来维持平衡。高度越上升，载荷能力越差——从2万米到2.5万米，空气密度从海平面的1/14急剧下跌到1/40。

　　其次是能源，由于要严格控制重量并维持长时间工作，因此飞艇的主能源系统不能使用消耗燃料的供能方式，也不能用一大堆电池——别说飞艇，纯电动汽车现在人类都只能造出大玩具级别的东西。它只能依靠太阳能来发电，而现阶段的太阳能发电板/薄膜效率都不怎么高。

　　美国空军和国防高级研究规划局联手的ISIS飞艇研制之所以暂停，关键的原因就是上面这两个问题。它一方面要把设备重量和飞艇自身空重的比例从2%提升到40%——这真是何等丧心病狂的规划，以至于飞艇结构研制目前根本达不到这样的高要求；另一方面的问题，就是它搭载的大型相控阵雷达需要的高功率电力，目前的飞艇能源系统根本提供不了。

　　从动力/飞行控制上说，2万米高度上气流一般很稳定，但风速较大，平均在10米/秒左右，最大能到40米/秒。飞艇由于自身体积特别大，因此受到风力作用形成偏航、沉浮、翻滚的趋势也特别强烈，要用很有限的重量和动力功率去克服这些问题，难度非常的高。

　　四：我国临近空间飞艇在国际上是什么水平？

　　在临近空间飞艇领域，总体设计水平最高的是美国，材料水平最高的是日本，此次我国放飞临近空间飞艇也并非全球首例。美国在21世纪以后投入了近百亿美元规划了数十个浮空飞艇项目，其中2007年后立项的临近空间飞艇重点项目就有4个，陆海空三军都有各自的独立项目。在2005年时美国陆军的HiSentinel飞艇就已实现超过2.26万米高度的长时间持续动力飞行。

　　日本以前制造的“平流层平台”SPF临近空间飞艇
　　除开美国以外，日本在临近空间飞艇的研究水平上也很高，尤其是在材料领域。事实上现在美国、欧洲的临近空间飞艇关键的核心原材料，都大量依赖日本提供。比如临近空间飞艇的蒙皮，必须使用多层复合设计才能同时满足耐紫外线照射和大温差、防止氦气渗漏等多种要求；而承力层的材料，就必须采用重量极轻的高强度纤维来纺织布料。

　　目前最好的材料是PBO（聚对苯撑苯并二恶唑），能将PBO做成纤维、并工业化生产的，全世界范围内只有日本。而日本所有PBO纤维的销售，全部被美国所控制，基本全部用在了航天航空和导弹制造业上。我国目前一些公司和高校已经能拿出PBO纤维的样品，但性能有限而且距离工业化生产还有非常大距离。

　　PBO纤维

　　2013年，哈工大、航天六院46所、科学院应用化学研究所等单位，联合发表了关于临近空间飞艇蒙皮的国内现状分析和总结论文。明确表示，国内对于这方面的研制起步晚，而且现在真正投入研制工作的单位很少，产品性能和国外差距很大，重要原料全部依赖进口。

　　而国产材料的未来发展，目前还严重受制于基础研发体系的不完善。比如我国目前没有针对这方面建立起成熟、标准的试验分析和表征方法，对于材料耐受紫外线、温差、水蒸气等条件后的性能变化机制搞不清楚，对于如何材料如何阻止氦气泄露的机制也不清楚。