高空飞艇雷达可以跟踪很远距离的目标

综合传感器即结构雷达系统由一组融入飞艇表皮的电扫描阵列组成

美国国防部高级研究计划局(DARPA)的“综合传感器即结构”(ISIS)计划旨在研制能够发现数百英里之外的低空飞行飞机和徒步步兵的飞艇传感器。综合传感器即结构计划正在研制把大孔径雷达传感器融入高空无人飞艇所需的多种材料技术。

一种目前在研的试验型空中雷达系统有可能会提高针对很难探测到的空中和地面目标的跟踪能力。该雷达将安装在数万英尺高空的无人飞艇上，可对目标地区进行长达一年的全面、持续监视。 这种浮空系统的一大优势是雷达天线可以是飞艇结构的一部分，从而把整个平台变成传感器。

美国国防部高级研究计划局综合传感器即结构计划的主要技术功能是探索雷达跟踪难题的可能解决方法。综合传感器即结构项目部位于弗吉尼亚州阿林顿。项目负责人蒂莫西•克拉克称，空中雷达最难发现和跟踪的复杂目标是掠地飞行的巡航导弹和徒步步兵。

克拉克指出，对于当前的雷达系统来说，孔径越小，扫描所需的功率就越大。功率高，意味着搜索能力更强，但是却不会改善跟踪能力。如果把小天线的功率提得很高，就会产生大量的热量，因此需要配装冷却系统，这样系统体积就会变大，重量变重，不适合安装在空中平台上，“但是平台的空间是有限的，雷达占得空间大了，武器系统就会适当减少”。

与大孔径系统相比，大孔径雷达有很多优点，特别是在保真度和发射功率方面。克拉克说，“随着孔径变大，发射功率会降低，但性能会得到很大的提升。”

美国国防部高级研究计划局的科研工作者在探索如何生成能够覆盖极广区域、发现空中和地面目标的大孔径时，发现庞大的高空飞艇可以解决孔径与功率的矛盾。综合传感器即结构项目旨在研制出功耗很低的特大孔径雷达。

克拉克指出，最初的设计方案是高空飞艇只设一个很小的传感器舱。然而，工程师们认为，如果采用常规安装方法，飞艇无法容纳大孔径雷达。最后决定把传感器与飞艇结构融为一体，由此提出了综合传感器即结构项目。

把传感器融入飞艇结构可以减轻总重量。在孔径安装在飞艇内部还是外部方面，设计者们还有分歧。克拉克说，“安装在内部确实更好一些，而安装在外部却有一些问题，因此我们选择了内部安装。”把孔径安装在内部的一个优点是，可以更好地保护系统，减少环境的影响。这种方法还可以避免出现因孔径安装在飞行器外面而受到环境影响的问题。

加利福尼亚州帕姆代尔的洛克希德－马丁公司和巴尔的摩的诺思洛普－格鲁曼公司参与了该项目第一阶段的可行性设计。克拉克指出，在第一阶段，工业小组检验了一些基本性事务，比如系统设计、执行任务所需的孔径功率、使得项目得以实现的质量和技术研发要求。他解释说，设计组还负责确保在研系统保持正确的技术发展方向。克拉克说，“我们不希望研发的技术在五至十年内逐渐衰退，无法达到我们所追求的最终目标。”

高空或者同温层飞艇将拥有能够很好完成空中监视任务的一组融合技术。它将有一个很大的表面积，这对雷达系统有好处。该飞行器移动速度极慢，对于移动目标指示雷达来说这也是一个优点。克拉克说，“它就像是一个搬到7万英尺高空的陆基雷达。”飞艇飞行高度在6万至7.5万英尺，在这一高度风很小，飞艇不需多少动力就可以保持稳定。

同温层飞艇上的综合传感器即结构雷达可以发现373英里远的飞机。克拉克说，“如果坐在巴格达，可以观察整个伊拉克及周边国家的一部分。”山脉和峡谷等地形会构成掠射角，即地形会阻碍雷达扫描，为地面设备和人员提供了隐蔽的地方，但是高空平台可以解决这样的问题。在6万英尺的高度，有效地面跟踪距离可达186英里。

飞艇雷达将拥有一个双频段系统，即特高频波段和X波段。它将针对空中和地面目标进行大范围的搜索，穿透植被，具有地面移动目标指示功能。克拉克指出，标准雷达天线无法执行如此多的功能，因为天线决定着系统的分辨率。但是综合传感器即结构天线太大了，具有极好的分辨率，可以跟踪小目标。

这种雷达将是一种有源电扫描阵列系统。系统分布有一定的间隔，使得孔径的不同部分进行扫描。可以分为子阵列，使得扫描过程中有足够的带宽。克拉克指出，子承包商提供的设计使得系统能够划分为相互独立的子阵列。这样就可以快速创建出适合进行空中和地面监视的各种孔径。

综合传感器即结构项目的目标是能够在没有战区内地面支援的条件下进行操作。飞行器从美国升空，可飘浮10年，可以移动到全球任何一个指定地点。该项目的设计目标是飞艇可以滞空一年。克拉克说，“如果我希望飞艇在巴格达上空飘浮一年，无论风向如何，飞艇完全可以做到这一点。”

这种飞艇的管理与卫星控制相似，因为卫星变轨也需要燃料。同样，同温层飞艇也需要定位以节约燃料。只有当风暴影响到同温层时，才需要通过移动避开风暴。由于雷达的地面覆盖区极大，飞行器可以移开很远以避开风暴，同时仍能继续对目标地区的监视。克拉克强调，“我们的目标是不采用任何地面系留手段，无论是虚拟方式还是物理方式。”

综合传感器即结构项目拟采用的同温层飞艇，体积将在50万至100万立方米，远远大于当前的飞艇。他说，飞艇的体积取决于承包商的设计方案是否大胆。有很多可能的飞艇设计方案，包括传统雪茄形、双凸透镜形、透镜形等。克拉克指出，飞艇的体积决定着飞艇的载重量，飞艇的形状则会影响气动阻力、太阳能电池板排列方式、雷达孔径。

飞艇面临的一个主要设计挑战是重量、体积、功率之间的相互关系。克拉克说，“重量决定着体积，体积决定着功率，功率决定着重量。”

但是，对于体积没有多少办法。氢气和氦气是效率最高的两种提升用气体，而真空系统的重量会更重一些，因为这种系统需要坚固的结构。克拉克说，“我们把重点放在重量上，在重量上做文章。我们发现功率是一个重要因素，因为它对重量有二次影响。”

克拉克解释说，飞艇需要的功率小，意味着铺设太阳能电池板的面积会小一些，白天飞艇可以反射更多的热量，从而减轻昼夜热胀冷缩的压力。温度方面的节约使得设计师可以放松对外壳材料的要求，可以把外壳做得更薄一些。

对于外壳孔径材料而言，目前最高的工艺水平可以做到每平方米400克。但是这种材料的超高分子量聚乙烯纤维的拉伸特点使其容易老化断裂。拉伸性是制造过程中的不规则性造成的，使得纤维的晶体结构中出现非晶体区块。

如果能够克服这一缺陷，这种材料的重量可以降低到每平方米100克，确保使用寿命超过10年后材料的强度保持在85%以上。克拉克补充说，重量还受到防紫外线辐射、臭氧和大温差保护涂层的影响。他指出，在6万英尺的高度，正常温差是零下40度（白天）至零下80度（夜晚）。他说，“也就是说，外壳材料必须能够承受零下90度的低温。谁也不希望材料在低温下变得易碎。”

与此同时，材料的熔点也必须很高，使得天线孔径材料、太阳能电池板等设备与外壳结合在一起。克拉克解释道，该材料与其它物质结合的地方、或者会达到很高温度的地方绝对不能出现强度降低和变形的问题。

按照当前最高工艺水平，孔径质量是天线每平方米20千克。综合传感器即结构项目预计，孔径面积约为1600平方米，整个飞艇面积约为6000平方米。但是，每平方米20千克的材料显得太重了。克拉克说，“我们希望在这方面取得突破性进展，达到每平方米2千克的水平。”

克拉克指出，有两种方法可以减轻孔径重量。两个承包商：加利福尼亚州艾尔斯贡杜的雷声公司和巴尔的摩的诺思洛普－格鲁曼公司都在开发独特材料概念。未来两年内，两家公司都必须展示出与壳体材料结合在一起的一平方米孔径，每平方米不超过2千克，该孔径在接收状态下每平方米耗电应低于5瓦。克拉克解释道，由于飞艇在其飞行高度上面临着低温的威胁，因此很重要的一点是要保持孔径温度恒定，使其能够扫描任何一个方向。实现温度恒定的一个方法是持续打开低噪声放大器，但是在接收状态下，这些放大器必须不需要消耗电力。

另外一个挑战是飞艇的电力。克拉克指出，还没有为飞艇设计出完全再生电力系统。另外一个名称为“极高高空飞艇”的项目正在研究一种基于燃料的解决方案，因为现在还不知道收集和存储的能量强度。美国国防部高级研究计划局联系丹佛的洛克希德－马丁公司，旨在研制发电厂。目标是，在两年时间里，电力系统的每公斤重量每晚可提供400瓦时的电力。重量包括太阳能电池板、电缆、燃料单元、电解剂、蓄电池。克拉克相信，从未有人曾经尝试过这样的蓄电方式。克拉克说，“我们的最低要求是400瓦时，但这只是一种设计，几年后将达到800瓦时。”

综合传感器即结构计划的技术研发阶段将在2008年第一季度结束。当前的一组合同是2006年4月和5月签定的。如果该计划能够继续达到最低操作要求，同时又与系统概念相符，美国国防部高级研究计划局将继续把该计划推向演示阶段。演示飞行器样机将是飞艇实际尺寸的三分之一，可以在空中滞留几个月的时间。

演示机将不会安装实尺寸雷达，但是将有足够大的孔径，以证明该孔径能够对发射和接收扫描和波形波束进行校准和补偿。克拉克补充说，美国国防部高级研究计划局正在与军种讨论是否继续进行雷达处理与发射模式的研究，把飞艇用作试验台。克拉克预测，如果该项目进展顺利，没有遇到大问题，那么2010年或者2011年将进行飞行试验。

来源：信号杂志

作者：亨利-S-凯尼恩

编译：知远/绿菊