美军击落中国无人飞艇，其目的与行动细节？ - 昆仑策
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美军击落中国无人飞艇，其目的与行动细节？
2023-02-09
美东时间2月4日周六下午3点40分，误入美国的中国无人飞艇刚刚在1.8万米的南卡罗来纳州飘出美国东海岸之际，被美国空军F-22击落，美军随即组织打捞。请看视频：
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。
【F4战斗机，50年代创造了3万米飞行高度的突破】
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跃升冲刺的结果，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。
【卫星维持轨道高度需要燃料，这常常是它寿命的关键原因】
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）。
包括我国前几年试飞的型号在内，各国的临近空间飞艇都属于这类设计。它通过在气囊内灌充非常轻的大量氦气（氢气易燃易爆过于危险），使整个飞艇的密度比2万米海拔的空气还小，因此维持两万米高度本身不需要额外的消耗动力。
相对于飞机和卫星来说，飞艇在性能上有三大理论上的优势。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。
【临近空间飞艇充当通信中继平台】
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。
【图：全球鹰无人机。现代无人机性能越来越好、装备越来越多、使用越来越广泛的背后，对于通信系统的资源压榨也越来越厉害】
而临近空间飞艇可以携带通信中继设备，极大地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。
总的来说，临近空间飞艇有很大的潜力，但至少在相当长时间内，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。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。
它一方面要把设备占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能力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。
【图：美军的一种中等高度飞行的飞艇，它采用飞行升力和浮力混合升空的方式，动力在飞艇中算很强的，但螺旋桨和整个艇身的体积仍然完全不成正比。】
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。
2月4日早些时候，美国联邦航空管理局已下令北卡州威尔明顿（ILM）、南卡州默特尔比奇（MYR）和查尔斯顿（CHS）三个机场及附近空域实施临时飞行限制（TFR），以实施“国家安全行动”。
通过飞行器监视软件，可以看到除F-22外，还出动了空军的F-15战斗机、KC-135加油机，海军的P-8A反潜巡逻机、海岸警卫队的HC-130搜救飞机。
两架F-15从马萨诸塞州巴恩斯基地起飞。一架KC-135R从阿拉巴马州伯明翰起飞，另一架KC-135R从密西西比州子午线起飞。P-8A从佛罗里达州杰克逊维尔起飞。
附近海域已经集合了三艘美国海军的军舰：船坞登陆舰卡特霍尔号（LSD-50）、导弹巡洋舰菲律宾海号（CG-58）、导弹驱逐舰奥斯卡-奥斯汀号（DDG-79），还有数艘海岸警卫队的船只。
海岸警卫队的快艇和船只也在现场，包括部署舰艇和潜水员，当响尾蛇导弹飞向气球的时候，准备工作已经就绪。如此大阵仗，可见美国对回收气球设备残骸的重视程度。
气球及设备残骸坠落在距离海岸约10公里的海域。这片水域是浅海，平均水深只有14米，打捞预计不会存在什么难度。美国海军和海岸警卫队的船只已开始着手回收残骸。
就在击落的同时，拜登在机场接受采访，称他周三（2月1日）就已下令击落中国气球，是军方建议等气球飘到东海岸领海上空再动手。
而2月3日，美国军事分析员就表示，F-22战机可能会在东海岸附近将气球击落。这样气球残骸落入海中，可以动用周边待命的舰船打捞气球残骸及其有效载荷。
显然，这几天美国让这只气球继续在本土上空流浪，主要是在为尽可能多地回收气球设备残骸做准备。
美军方宣称，气球残骸具有情报价值，美国可以对气球及其携带的设备进行研究和审查。待搜集完这颗气球的残骸后，残骸将送到维吉尼亚州宽提科（Quantico）的FBI实验室进行分析。
而在击落气球后，美国国防部举行了新闻发布会，公布了相关信息。美空军第一联队94中队出动2架代号为“FRANK01”和“FRANK02”的F-22战机，一主一僚。主机发射导弹，僚机备份。
美国北方司令部表示，代号“FRANK”是为了向一战飞行王牌、以“亚利桑那气球克星”而闻名的中尉弗兰克·卢克致敬，他击落了14个德国侦察气球和4架飞机。
这是F-22战斗机第一次击落实战目标，也可能是有史以来最高的空对空击落战果，和2019年中国空军歼-10战机在云南击落高空气球的高度相当。
因为中国空军歼-10C战机也用第四代霹雳-10（PL-10）近程空空导弹，在极限高空击落了自西向东飘进境内的不明气球。
2月4日一整天，很多人在说美国人不可能把气球打下来。他们不仅错判了气球浮空的高度（细节下一篇会说），也低估了军事科技发展的程度。
当然，在高空打气球，确实有难度。也并不像人们通常所想象的那样，就是一个巨大的死靶子，要打易如反掌。为什么？因为空气非常稀薄。
8公里以下是大气的对流层，从8公里到50公里是平流层，气流相对稳定。不过，因为太高了空气稀薄，飞机的发动机动力、姿态控制都会有问题。
所以民航客机巡航都在平流层的下方，就是10公里（1万米、3万英尺）高度左右飞行。大部分战斗机的实用作战高度也就是15公里（15000米）左右，高空侦察机才会在20公里（20000米）左右直线一般平飞。
对于火箭气动推进的普通空空导弹来说，在这个范围机动作战也有挑战。为什么？因为空气密度、压力都只有海平面的1/10，气动舵面的效率严重下降。
不过对于像2003年服役的AIM-9X第四代“响尾蛇”、2013年服役的霹雳-10这些第四代近程格斗空空导弹来说，都已不是太大的问题。
因为它们都配备了推力矢量技术（燃气舵）——四块导流翼片被放在发动机喷口后方，通过四块翼片的摆动来控制喷气方向。
这是为了有效对抗现代高机动目标。但也为在超过15公里的高空作战提供了不受空气密度限制的机动调整能力。
另外，第四代近程格斗空空导弹的气动结构也从早先的前鸭翼控制改为全动尾翼，前翼现在是固定的。除了推力矢量，还有鸭翼后的侧推微火箭。这些都提高了敏捷性和在高空精确气动力控制的可控性。
不过，在高空作战，这对以体积重量小、动力充沛的一次性导弹还可以改进。对有人飞机本身来说，在高空作战依然有一定挑战。
因为高空大气密度低，升力系数低，发动机效率降低，只能以速度获得升力，机动性很差。很多人都想象不到高空仅剩1/10的稀薄空气对气动与机动能力带来的巨大变化。
现代喷气战斗机的实用升限，一般都在18公里左右，但这时的爬升率也降到了每秒仅剩5米——海平面是每秒330米，相差66倍。
在15公里之上高度作战，每爬升1000米甚至600米都需要一分钟甚至几分钟时间，操纵非常费力，令人感觉飞机几乎是静止了一般。
这次大批美国民众的手机录像，以及多家美国电视媒体的镜头，都在直播中拍下了气球被击落的画面。看似四平八稳的画面和轨迹，其实发生在18公里高空。
F-22的实用升限是19公里，这次发射导弹的高度是17700米。气球目标垂直高度差是2公里，发射时F-22和气球估测距离是7公里。
F-22为保持高度需要1.5倍音速飞行，10多秒钟就能飞掠。这些都接近飞机和导弹的可用极限了。
AIM-9X的实际有效射程12公里（迎头）/7公里（尾追），而这些数据不可能是高空极限条件下取得的。所以，这一次攻击对AIM-9X来说也快到极限了。
至于为何不用射程更远的AIM-120中程空空导弹？因为AIM-9X的焦平面导引头和激光近炸引信，是比雷达制导的AIM-120等中程空空导弹更理想的选择。
因为气球结构的聚乙烯薄膜对雷达来说算是半透明的，雷达反射回波不明显，而气球下方悬挂的设备尤其是桁架，却是雷达反射的强目标。
发射雷达制导的AIM-120，大概率会击毁桁架设备，气球反而安然无恙。这就不符合要求了——所以必须考虑击毁气球而尽量不损伤设备的方案。
AIM-9X的像增强红外焦平面阵，不再是单一点状的红外导引头，不需要强烈的红外特征，只要有温度差，就能识别。也可有效区分真正的目标和红外诱饵。
这些设备和条件，才能有效抓住雷达特征和红外特征都很微弱的气球。当然，对歼-10发射霹雳-10来说，也是一样。都是技术可实现、但对飞行员仍有一定挑战的科目。
据悉，该高空气球于当地时间1月27日进入北美防空司令部视野，1月28日飘进阿拉斯加，30日飘过加拿大，31日飘到美国本土蒙大拿州，此后在美国本土继续由西北向东南随风漂移了4天。
1月28日拜登就知道气球的事，但他选择不说。当2月3日蒙大拿当地报纸Billings Gazette发布照片报道之后，这事就瞒不住了。
据美国国防官员透露，最近几年已经有三次被认为是中国的探空气球随西风带飘进美国领空，但美国都选择不对外公布。其中前两次发生在川普执政期间，第三次发生在拜登执政初期。
也就是说，美国政府和军方，包括执政时的川普都不认为这是一个事。但是，一旦这个事件被意外曝光，事情就变得复杂了。
美国内部反对拜登的各方势力，都在借助流浪气球攻击拜登政府的对华政策。政客们突然集体戏精附体，各种撒泼打滚，特别是共和党人，叫得最欢，不停地吵吵着“打气球打气球”。
本来这事一开始就是美国鹰派恶意炒作，阻止布林肯访华。后来很快都把美国民众整破防了，如果不击落任由其出境，拜登肯定坐不住。
在美国，关于中国的议题越来越敏感。有人说，“反华”已经成为美国各方势力之间少有的共同语言。这话虽然有些夸张，但不可否认的是，对中国的敌意，确实已经成为了美国国内的一种政治正确。
既然是政治正确，那么就可以被人利用。所以，是非根本不重要。只要能打击对手获得利益，政客们就会争先恐后地做到底。
2月初，中国连续发文喊话——中美脱钩行不通，深化合作才是出路。美国务卿布林肯原计划也应在这几天访华，缓和两国关系。结果搞出了一个气球事件，布林肯想来也来不了了。
本来，双方都有缓和关系的意愿。但在复杂的局势下，能做到不被意外事件搞出“加速下坠”就不错了。这个，确实是要表示遗憾的。
拜登其实不太希望谈气球及布林肯的事，一方面因为美国官方其实也从来没有正式宣布过布林肯访华。另一方面，新出炉的美国一月份就业报告出奇得好，拜登希望大众能够聚焦他的“经济成绩”。
这次气球事件，中美双方都表达了强烈不满和抗议。本已紧张的中美关系朝着更不确定的方向又前进了一步。美国国务卿布林肯因为气球事件推迟访华，可能只是前戏。
控制整个事件走向的关键是美国联邦调查局（FBI）接下来对气球残骸的分析，美方将得以获取大量素材。
所以这事没完，剧情走向还有流浪气球3。
总之，面对这种意外情况，正如中方所言，中美能否“保持定力，及时沟通，避免误判，管控分歧”非常重要。
（作者：侯知建、唐驳虎；来源：昆仑策网，转编自“华山穹剑”，原载“凤凰网”）
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