关于系留气球载雷达系统分析.doc

关于系留气球载雷达系统分析1引言随着航空兵器和防空武器的发展，｛氏空入侵和突防已经成为取得战争主动权乃至胜 利的有力手段针对低空、超低空目标探测较为典型的手段是靠地面雷达，这种手段覆 盖范围有限因为受地球曲率的影响,对高度100m以下的目标仅有50km的探测距离, 而采用升空的雷达系统则可以降低地球曲率的影响，增大雷达的视距当雷达系统具有 足够的功率和灵敏度时，对低空目标的探测距离就由雷达的视距决定系留气球是一种自身不带动力，依靠浮力升空的浮空飞行器它通过系留缆绳滞留 在空中预定的位置,作为空中平台，可适合搭载各种通信、干扰、侦察、探测等电子设备, 具有留空时间长、有效载重大、部署方便、费用低廉等优点系留气球雷达系统就是 以系留气球为搭载平台，以雷达为任务系统的一种综合信息系统，广泛应用于预警探测、 通信中继、电子干扰、防灾减灾、公共安全等军事和民用领域美国在20世纪50年代就将雷达装载到了气球上，目前已在美国本土装备了数套系 留气球载雷达系统,这些系统已成为其国土防御体系中的重要部分气球载雷达系统还 被美军应用到伊拉克战场,极大地减少了美军的伤亡各种应用实例显示,系留气球载雷 达系统在现代战争中的地位和优势日显突出。

本文将从气球载雷达系统的优势分析开 始,逐一介绍整个系统的组成、主要技术指标以及在我国的发展现状2系统优势分析及主要技术指标随着材料、电子、氦气提纯等科技的高速发展，系留气球载雷达系统以其拥有的巨 大优势越来越受到世界各国的高度关注2.1优势分析2.1.1预警能力强由于地面预警设备受地球曲率的影响致使探测距离有限，预警机虽然探测范围较大 但连续留空时间较短，预警卫星虽然探测范围大但造价比较昂贵，因此对于预警能力有限 的国家来说,预警浮空器能够弥补地面、空中、空间预警系统的不足，且价格便宜，是增强 侦察预警能力的较为理想的装备之一外军进行的试验证明，一艘飞行高度3000m的气球载雷达预警系统,其雷达对高度 340m空中目标的探测距离达300km,对地面的覆盖区域超过28000km2,大于13部 同类地面雷达的覆盖范围美国TCOM公司的升空4500m高的系留气球载雷达预警 系统的探测距离美军试验证明，该系统比地面防空雷达提早lOmin发现目标2.1.2生存能力强随着材料、电子、氦气提纯技术等现代科技的不断进步，极大增强了系留气球系统 的生存能力根据需要，军用系留气球的气嚢可由若干个氦气填充的独立的小气室组成, 而且填充压力较小，一旦受到炮火攻击，泄漏速度较小，即使是破洞很大，系留气球也有充 裕的时间返回地面。

美军曾做过一项实验，对一个升空3000m、体积10000m3左右的 携带载荷的系留气球予以炮火攻击，破损后的气球要花2个多小时才降落到地面另外, 系留气球采用的嚢体材料是无金属骨架的软体结构，透波率可达99%,而且任务系统挂 架以及雷达天线外层可用防电磁波探测的复合材料和玻璃纤维制造，雷达反射面较小，几 乎没有雷达回波和红外特征信号，很难被探测到2.1.3留空时间长系留气球平台与军用飞机相比，其最大的优势是它的留空时间飞机在空中的飞行 时间是以小时来计算的，而系留气球则是以天来计算,其工作时间一般只受天气、故障和 例行维修的限制系留气球能安静并且平稳地完成放飞和回收，这对其携带高科技监视 设备至关重要理论上，如果不受材料强度的限制，系留气球携带的雷达天线的形状和尺 寸几乎不受限制2.1.4效费比高各种升空预警系统中最先发展起来的是预警机，由于预警机巡航时间短，长期值守不 但运行费用很高，要保持空中始终有一架预警机长期值守，还需要考虑换防、维护等问题， 要有2〜3架作为后备预警机的特长和军事上的重要作用是在进攻时短时间的前置引 导、指挥而与预警飞机相比，系留气球载雷达预警系统可降低大量能耗和飞行费用，只 需要少量的维护工作就可以连续使用。

1993年,美国海关总署（USCS,目前隶属于美国国土安全部）呈送参议院H分报告，较 为详细地介绍了采购和使用以系留气球为平台的雷达监视系统的费用根据该报告，对 于一套能在方圆278km内探测雷达截面为2m2的空中目标的系统,其采购费用在 1800万〜2200万美元之间，每小时使用费用估计在300〜400美元之间假定一套系 统的使用率为60%，即每年可工作时间为5256h,则总的使用费在300万美元左右相 比之下，采购一架P-3 "猎户座"空中预警与控制飞机的费用约为3700万美元，每小时 使用费用为3500美元假定每架"猎户座"飞机的使用率为60%,则每年维持一支由 4架"猎户座"飞机组成的机队的费用为1800万美元因此，从经济、军力等方面考虑，执行经常性的预警监视,预警机不如系留气球载雷达 系统经济实用2丄5机动性高、可维护性强车载式或舰载式系留气球载雷达预警系统机动性强，可以快速完成气球的充气、组 装、升空及进入雷达的正常工作状态此外，系留气球的放飞、回收及维修、维护操作 较预警飞机简单得多，对操作与维护人员的技术水平和人员数量要求相对较低2.2主要技术指标系留气球载雷达预警系统的主要技术指标由系留气球和雷达两部分的技术指标组 成。

系留气球部分的技术指标一般考虑体积、载重、工作高度、留空时间、抗风能力、 负载功耗等几项如美国TCOM公司的71M阵地式系留气球系统的主要技术指标 而预警雷达的主要技术指标一般包含工作频率、作用范围（距离、角度）、测量精度（距 离、角度、高度）、分辨率和杂波改善因子等3系统组成系留气球载雷达预警系统主要由系留气球、预警雷达、系留缆绳、地面系留设施 和地面控制中心站五大部分组成3.1系留气球系留气球是预警雷达的承载平台，其外形一般为水滴形和纺锤形由于系留气球自 身不带动力,也没有操纵面，因此要求气球本身具有一定的气动稳定性系留气球的嚢体 材料多由多层薄膜和织物粘合而成，包括连接层、承力层和阻氦层气球的前端是头锥， 中间是囊体（内部分为氦气囊和空气囊），球体下方是整流罩（也称防风罩）,后端是充气尾 翼充气尾翼的布局形式多为"十"字形和倒"丫"形布局，这两种布局形式都能对系 留气球的稳定性起到重要的作用综合考虑各种布局形式的稳定性、可操作性和工程 可维护性，目前国内外系留气球多采用倒"Y"形尾翼布局根据设计，系留气球系统可以在不同的风速下稳定停留在空中，如TCOM公司的 450k系留气球正常工作时的风速可以达到30m/s以上。

3.2雷达雷达是整个系留气球载雷达系统中的任务系统,集中悬挂在球体下方的整流罩内 雷达的选择受系留气球承载能力、整流罩尺寸及载荷雷达所需功率等因素限制为了 减少尺寸和重量，保证系统正常稳定工作，通常把各种电子器件和天线装置紧凑地组装成 一个单元，通过万向关节倒挂在球体下方的任务系统挂架上,借助安装的稳定平台以减轻 雷达所受气球自身运动的影响就开发和应用气球载雷达而言，美国目前处于领跑地位,以色列和俄罗斯紧随其后美国的研究成果集中在4种雷达系统上，即AN/APG-66SR、AN/TPS-63、"增强低空 监视系统"（ELASS）/ "先进技术低空监视系统"（ATLASS）和L-88AN/APG-66SR是诺思罗普•格鲁曼公司由AN/APG-66系列机载火控雷达衍生而 来的，已用于美国TCOM公司的"小型浮空器监视系统"（SASS）和意大利的"南亚德 里亚海岸浮空器监视系统"（SAACS）其工作频率为9.7〜9.9GHz,提供空中预警和监 视能力在"小型浮空器监视系统"中,AN/APG-66SR提供7种工作模式沖脉冲重复 频率空中监视（作用距离分别为19、37、74和148km）;非相干频率捷变低脉冲重复频 率海上监视;相干多普勒海上监视（具有杂波抑制能力）;地面动目标指示;8〜12.5GHz频 段信标询问;天气监视;实波束测绘。

AN/TPS-63雷达也是诺思罗普•格鲁曼公司的产品，在浮空器应用中还被称为TPS- 63（S）或TPS-63M（S）基本型AN/TPS-63工作在1〜2GHz频段，采用固体/微电子器 件,具有数字式动目标指示、不易受天气影响和虚警率稳定的特点在数字式动目标指 示模式下，该雷达能以90%的概率探测148km距离范围内、雷达截面为lm2的空中 目标作为一种在系留气球上使用的雷达，当AN/TPS-63在900〜3000m高度工作时, 据称能在一次扫描中以90%的概率探测260km距离范围内、飞行高度为150m、雷 达截面为5m2的空中目标3.3系留缆绳系留缆绳是气球载雷达预警系统中的一个关键部件系留气球的升空、回收和姿 态调整都是通过缆绳来实现的，这是系留气球区别于其他浮空器的主要特点由于系留 气球本身不带动力,气球本身各功能系统，如压力调芳系统、测控系统、通信系统等，以及 雷达系统维持正常运转所需电力一般通过系留缆绳由地面供给此外，由于系留气球一 般工作在5000m以下空域，这个区域也是雷电多发的区域,为了保护球上设备及雷达系 统不被雷电破坏，必须要把雷暴强电流通过缆绳泄放至地面因此,系留缆绳具有承受系 留载荷、电力传输、防雷击保护等功能。

早期的系留缆绳为钢丝绳，由于拉力强度、重量以及功能方面的原因,现在已很少采 用,一般都采用新型系留缆绳这种缆绳的中心部分有3根带绝缘的传输电线，能传输 400Hz、3000V的三相电力供设备用电，传输线外部有内屏蔽层、填充材料、光纤和多 层Kevlar材料制成的加强保护层，外层是泄雷网套,最外层是一种嵌入涤纶丝加强的金 属编织网套（外护套）缆绳中的光纤是测控系统中的通信线路，传送气球平台检测数据、 雷达探测数据以及地面控制指令,Kevlar保护层材料与美军防弹衣和陆军钢盔所用材料 相同用这种材料制成的缆绳具有抗拉强度高、重量轻等优点3.4地面系留设施地面系留设施是球载雷达预警系统的操纵、控制和维护中心，主要分为阵地式、车 载式和舰载式三种系留气球系统地面设施的作用是确保系留气球能够安全可靠地升 空和回收,并在指定的高度上正常工作，当气球在地面系留时,能够方便地对气球及球上设 备进行维护和修理阵地式地面系留设施如图5所示，适用于大型系留气球系统，一般由圆形导轨、机械 转台、旋转基座、系留塔、水平横梁、防护舱和控制舱、绞盘等组成车载式地面系留设备一般称为锚泊车，适用小型系留气球，主要由系留塔、水平支臂、 绞盘、控制舱和半挂车等组成。

美国将500t级的小型供应船改装成了舰载式系留设施，在船的后甲板两侧各安装 了一条导轨，两轨间隔为6m,导轨上架有可前后移动的滑架，能360旋转,滑架上固定有 系留系统3.5地面控制中心地面控制中心设置有遥控、遥测和指挥系统，用以检测和控制气球上的通信设备设 施，除了连续监测升空气球的各项工作数据和环境数据（如升空高度、风速、温度、气球 姿态、供电状态等），还能完成雷达探测信号的分析、处理和图像信息的存储及转发大型系留气球系统的地面控制中心为固定建筑，设置在阵地之外，通过通信系统完成 中心与系留控制舱以及球上设备间的数据互通互联小型系留气球系统的地面控制中 心设置为安装在地面描泊车以及指挥车上的一个控制室4我国气球载雷达系统发展现状系留气球载雷达预警系统在我国的应用较晚，主要因为浮空器在我国的发展起步时 间不长，系留气球在我国上个世纪80年代才开始有所研究，并且研究规模不大随着现 代科技的发展，浮空器的价值又重新为人们所认识，尤其是在军事领域的广阔的应用前景, 使得上个世纪90年代开始至今在工业发达国家中掀起了一场浮空器研制热潮我国也 在这一时期涌现出了一批浮空平台研制单位，并先后开发出了具有自主知识产权的载人、 遥控和无人自主飞艇及系列系留气球产品。

近几年，我国也加强了与国际先进国家在浮空平台方面的技术交流。