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中国电科自主研制出浮空器技术

文章导读: 2015年初的一天,新疆某县,一个浮在空中的大型白色气球,在这个辽阔的西北边陲小城分外醒目。

不管飞的多高,多功能系留缆绳牵挂着你

不管飞的多高,多功能系留缆绳牵挂着你

p43-3 2010年上海世博会期间,浮空器用于世博园区监视和预警。

2010年上海世博会期间,浮空器用于世博园区监视和预警。

p43-2 搭载摄像头的载荷

搭载摄像头的载荷

这项技术除了美国、俄罗斯外,全世界只有中国有

【发现中国原创技术】中国版浮空器:穹顶之上有“天眼”

《中国经济周刊》 记者 曹煦|北京报道

2015年初的一天,新疆某县,一个浮在空中的大型白色气球,在这个辽阔的西北边陲小城分外醒目。

从外形看,这个酷似“大白鲸”的气球很像飞艇,底部有个半球体装置,由一根缆绳将其与地面上一辆小车连接起来。

它可不是影视道具,而是由中国电子科技集团(下称“中国电科”)研制,具备全球顶尖技术的“浮空器”。

因为拥有来自高空的独特视角,且长期停留在空中作业,俯视全城,这不仅让地面上的所有目标一览无余,同时也节省了大量分散的监控工作。当地的公安部门对浮空器给予高度的评价:维护和谐稳定,为“平安新疆”建设保驾护航。

这个“神奇气球”已不是第一次亮相。出道以来,在上海世博会、广州亚运会、新疆郁金香节、珠海航展等大型活动中,都曾留下它的身影。

鉴于其卓越性能和突出特点,它获得了诸多响亮的赞誉:“天眼”、“世博哨兵”、“空中大白鲨”、“安全卫士”……

这个气球是什么?它缘何有如此的威力?它看似简单的表面背后,有哪些中国原创技术?

白手起家,中国版浮空器15年出炉

白色气球有个专业名称叫“浮空器”,是一种密度轻于空气、依靠大气浮力升空的飞行器。气球通过电缆与地面车辆连接。气球上可以搭载视频监控设备,全方位监测地面情况,担负“空中警戒线”职能;此外也能搭载环境、交通、气象等各类监测设施。

在曾经风靡一时的电子游戏《红色警戒》中,基于浮空平台想象出的苏联部队“基洛夫”飞艇(Kirov Airship)是玩家们心中的经典武器。而现实中这种想象也并非空中楼阁,如在一次世界大战中,德国研制的齐柏林飞艇就曾经大显身手。

后来由于科技的不断进步,飞艇逐步退出了空军序列,但浮空类平台没有淡出历史舞台,它在预警、侦察、安保等军用和民用领域的作用仍然很大。

现代浮空器作为一种通用平台,可搭载多种设备,用途十分广泛。目前,国外只有美国、俄罗斯掌握该项技术。

中国版浮空器,是我国自主研制的一种新型空中平台,也是军民技术转化的成果之一。

曾几何时,让中国制造的浮空器升空,是中国电科浮空技术团队的梦想。

据介绍,2000年左右,中国电科依托第38研究所成立了浮空平台研发中心,开始立项研发浮空器项目, 这也是全国唯一一家综合性专业浮空技术孵化机构。“作为尖端技术,国外也不会把技术输入中国,可以说是白手起家搞研究。”中国电科浮空平台研究中心副主任刘传超说。

除了浮空器本身,浮空器配套设施也是必须攻克的难关。15年来,科研团队已研制出浮空器海量零部件。“神奇气球”真正成为土生土长、名副其实的“中国制造”。

刘传超表示,中国版浮空平台的问世和应用,标志着我国已全面掌握浮空器的构造、材料、控制、信息获取和通信方法等技术,填补了国内球载高清监控领域的空白。“看到浮空器升空,我们感到太自豪了,这个技术除了美国、俄罗斯外,全世界只有中国有。”刘传超说。

“神奇气球”神在何处

《中国经济周刊》记者从中国电科了解到,以前在大型活动现场,通常依靠直升机或飞艇进行全天候值勤,但直升机留空时间短、噪声大、燃料消耗量大,而飞艇抗风能力不强。

浮空器的出现,改变了这一局面。它不带动力,完全依靠浮力升空;它可以根据安保任务的不同,根据监控区域的大小,定制不同大小;它有防雷电的电缆来当“脐带”,可在百米高空连飘5~10个昼夜“纹丝不动”,甚至能抵抗10级台风和雷暴天气;型号更大的甚至可以连续留空30天以上。

据中国电科浮空首席科学家徐忠新介绍,浮空器与直升机、无人机等其他飞行器相比,具有驻空时间长、定点悬停、垂直起降方便、使用成本低、无污染、低噪声、耗能少等优点。

徐忠新详细解释说,“神奇气球”的研制有三处最神奇:不一般的球皮,不一般的气体,不一般的缆绳。

所谓不一般的球皮,是一种多层复合囊体材料,它由特殊的高分子复合材料做成,包含承力织物层、耐候层、阻气层、粘接层等,该球皮材料不仅质量轻,而且强度高,不易变形,并且有很好的柔韧性和气密性,一块巴掌大的小小球皮,即使是两个强壮的男士也很难将其撕破。气球的外形是流线型,经过仿真计算和试验验证,保证了气球具有良好的气动稳定性和环境适应性,从而确保气球长时间留空的安全。

不一般的气体,则是指充在浮空器中的氦气。和很多民用气球不同的是,“神奇气球”内部充入的是氦气,而不是氢气,这种气体和氢气一样,在质量上都非常轻,但氦气是惰性气体,不会像氢气那样易燃易爆,即使用火去点也点不着,并且可以回收循环使用,具备了绿色环保的特点。“神奇气球”的使用也不像飞机要求的条件那样苛刻,它的升空和下降不需要专门的跑道,只需有篮球场大小的空旷场地即可开展工作,场地适应能力非常强。

不一般的缆绳,则是指多功能系留缆绳。它可是一个高科技产物,由轻质高强度的先进材料制成,每米重量仅有120克,不到一个鸡蛋重量,却包含了高压输电、信号传输和泄雷功能,除了能让气球长时间固定在高空不随意晃动和飘走之外,还能为空中的气球输送源源不断的电力,并能将气球上挂载设备监控到的视频信号和探测数据实时传回地面指控中心,在雷电天气条件下,还具备防雷电功能。

气球本身很神奇,它搭载的装备同样不一般。徐忠新告诉记者,背负高倍高清摄像机的浮空器能实现对方圆10~100公里的区域定点全景扫描。这使它有了一个更具威力的名字——“天眼”。地上哪怕只有火柴盒大小的物体,“天眼”都能“看”得清清楚楚;一旦发现异常,还能针对某一区域专门放大监测,并实时将拍摄到的各类图像通过光纤、微波传到地面指挥控制车,同时将各类图像信息反馈到政府应急指挥室、应急联动中心、总控中心、民防指挥中心等单位,便于应急决策。

在公共安全领域有广阔应用前景

中国版浮空器的用途很广,因为气球腹部有个半球形整流罩,里面可以搭载不同的设备,包括预警雷达、电子对抗、电子干扰、视频监控、雾霾探测、中继通信和成像设备等,从而广泛应用于预警探测、对地观察、侦察对抗、通信中继、安防监控、环境监测等领域。

在迄今为止为数不多的公开亮相里,它每一次都堪称惊艳。

2010年,上海世博会期间,中国电科研制的我国第一个用于公共安全领域的浮空器产品完成首秀,这个长31米、容量1600立方米的庞然大物在历时184天的展会期间用于世博园区监视和预警,广受好评。

2013年底,全国雾霾天气十分严重,国内首个搭载雾霾探测设备的浮空器,在上海市实现了对大气从地面至空中1000米高度的立体探测,研究高空细颗粒物的主要理化特性和垂直分布特征,为城市环境治理提供了准确的科学依据。

2014年5月的新疆郁金香节,这个长19米、340立方米的“天眼”携带了1台可见光高清摄像机、1台红外相机和1台气体浓度探测仪,24小时不间断、360度监控地面游客、车辆、建筑、景观等环境状况,对重点区域的动向“了如指掌”。

2014年11月的珠海航展,“大白鲸”浮空器作为军民技术转化的成果之一,与“运20”、“歼31”并列成为当届航展最亮的三颗星。

目前,对地观察、安防监控,负责一方平安,仍是有“天眼”之称的浮空器最核心的功能。

公开资料显示,我国每年因自然灾害、事故灾难、公共卫生和社会安全等突发公共安全事件造成的非正常死亡人数超过20万,伤残人数超过200万,经济损失年均近9000亿元,相当于GDP的3.5%,远高于中等发达国家1%~2%的同期水平。

“公共安全形势背后暴露出公共安全体系存在很多不足,产业发展滞后,缺乏一套监测、预警、应对、管理公共安全事件的科技手段与产品装备。”雷达与公共安全技术专家、中国工程院院士吴曼青对媒体表示,核心技术购买不到,往往受制于人。“浮空器作为战略性装备,具有自主知识产权,在应急通信、平安城市、智慧交通、环境保护、防灾减灾等公共安全领域具有广阔的应用前景。”

5月29日,中共中央政治局就健全公共安全体系进行第二十三次集体学习时,习近平总书记强调,公共安全连着千家万户,确保公共安全事关人民群众生命财产安全,事关改革发展稳定大局。努力为人民安居乐业、社会安定有序、国家长治久安编织全方位、立体化的公共安全网。

习近平总书记指出,维护公共安全体系,要从最基础的地方做起,要把基层一线作为公共安全的主战场,坚持重心下移、力量下沉、保障下倾,实现城乡安全监管执法和综合治理网格化、一体化。

在公共安全专家、中国电科副总经理左群声看来,国产浮空器在公共安全领域大有可为。他说,随着需求的深化,整个项目已不再只是单纯的视频监控信息管理系统,而将成为平安城市防控体系数字化建设工程,为全面构建和谐社会搭建科技保障平台。

据中国电科有关人士介绍,出现在新疆上空的浮空平台,就是以传统浮空器为载体,搭载可见光超视距镜头、红外夜视镜头、4G自组网通信模块等多种载荷,通过掌握制空权实现广域覆盖监控,既能满足重点区域全天候监控侦察需求,也可为周边区域提供机动侦察和应急通信保障。

专家点评

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教育部飞行器设计学科“长江学者奖励计划”特聘教授宋笔锋:

让中国浮空器发挥更大的价值

中国电子科技集团浮空平台研发中心始终以创立一流浮空器品牌为己任,在推动我国浮空器发展方面取得了巨大的成就。该研发中心始终坚持放眼最新科学技术,以打造国际一流的新型浮空装备为追求,使得大型系留气球载雷达系统成功运用于军民各领域;在奥运会、亚运会、世博会、博鳌论坛等重大会议及活动安保中发挥重要作用。

作为一种通用平台,浮空器具有抗风能力强、滞空时间长、任务载重大等多种优点,携带不同的任务装备,可广泛应用于军民各领域。由于浮空器涉及专业面广、系统复杂、创新性强、研制难度大,浮空平台研发中心团队在各产品研制过程中攻克了多项关键技术,填补了国内空白,拥有多项自主知识产权,整体技术处于国内领先,达到国际先进水平,具有重大的军事和经济效益。

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创新引领国产浮空器发展

中国电子科技集团公司浮空平台研发中心副主任 刘传超

在浮空器面世以前,用于空中侦察、测绘、通信、预警的主流平台主要有飞机和卫星等。这两种平台均存在着相应的缺点:就飞机来说,存在续航时间短、无法定点飞行、成本高昂等问题;对卫星来说,存在无法重复使用、任务载重小等缺点。

浮空器的研制和使用历程可追溯到一战时代。进入21世纪,随着通信、材料、工艺、空气动力学、动力等各基础专业的大力发展,浮空器又焕发出了新的活力,在飞行器家族中再一次崭露头角。

同飞机、卫星等空中平台相比,以浮空器作为平台搭载任务装备具有运营成本低、可定点悬停、留空时间长、空中姿态稳定、雷达反射面积小、安全性好、部署方便灵活、操作维护简单等独特的优势,越来越受到世界各国的广泛关注。美国是利用浮空器执行军事任务最成功的国家。

浮空器的研究在我国起步相对较晚,在浮空器的研制、设计、生产、使用、维护过程中,我们不仅要稳定现有的技术状态,更要加大创新引领。我国经过30多年的改革开放,在材料、工艺、电子元器件、任务装备等各方面有了长足发展,基于我国基础科技的进步,我们从事的浮空器事业也有了更有力的支撑,经过10余年的深耕,在总体技术上已经有了深入发展,拥有独立自主知识产权的浮空器专利技术40余项,研发水平已达到国内领先水平,在进一步创新的基础上,我们相信我们的浮空器产品将在军民各领域发挥更大、更重要的作用。

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