作者：沈海军,程凯,杨莉
出版社：航空工业出版社
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近空间飞行器试读：
序言
近空间（Near Space）又称近太空、临近空间或亚轨道，宽泛的定义为20～100km之间的空域。近空间飞行器是指能够在近空间空域执行特定任务的飞行器，主要包括超高空气球、平流层飞艇、超高空长航时无人机、空天飞机、超高空侦察机、超声速巡航导弹、空天轰炸机等。近空间飞行器可为情报、侦察、监视、通信设备及攻击武器的搭载提供有力的工具和平台。近空间对于情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等具有广阔的发展前景。
目前，在近空间区域存在着两个空白：第一个是能力上的，即缺乏持续的通信和情报、监视、侦察效能； 第二个是军事作战武器在这一高度覆盖上的空白。使用近空间平台能够同时填补这两个空白，可以为作战人员提供持续的通信和侦察效能，更重要的是，现在绝大多数的固定翼战斗机和地空导弹无法达到近空间这一高度。如果研制出一种能够在近空间空域活动的作战武器，就会掌握极大的战场主动权，从而改变现有海陆空三军作战的模式，将战争引入更高的空间。
近几十年来，以美国为代表的发达国家纷纷投入大量的人力和物力来发展近空间飞行器，制订了相应的研究计划，并取得了重大进展。近空间飞行器已成为当今世界各强国重点研究的热点。
在我国，相应的空天飞行器研究计划也已经制订。为研讨近空间飞行器的关键基础科学问题，2006年4月，国家自然基金委员会在北京召开了“临近空间飞行器发展趋势和重大基础科学问题研讨会”。出席会议的有国家自然基金委员会的领导和诸多相关专业的知名教授、院士。会上，国家自然基金委员会主任陈宜瑜同志发表重要讲话“我国‘飞行器的若干重大基础问题’重大研究计划经过前期的努力，进展顺利。希望以这次研讨会为契机，认真调研国际上尤其是发达国家近空间飞行器的发展状况和趋势”。
在这种形势下，我们特意撰写了《近空间飞行器》一书。本书的主要内容包括近空间飞行环境、超高空气球、平流层飞艇、超高空长航时无人机、空天飞机、超高空侦察机、高超声速飞行器、超高空侦察机、空天轰炸机、高超声速运输机/客机等。读者对象主要为相关专业的科技人员及大专院校的师生。本书可以为他们进一步了解、探究近空间及近空间飞行器提供参考，同时也可作为相关专业本科生、研究生的教材或教学参考书。
由于时间仓促，加上笔者水平有限，书中难免有一些错误或不足之处，敬请广大读者批评指正。笔者2011年3月于上海第1章概述
世界航空航天高科技的迅猛发展，使得飞行器家族的成员越来越兴旺。2005年，美国空军在内华达州空军基地秘密进行了“施里弗”-3太空战模拟演习。期间，一种近空间飞行器第一次作为情报、监视、侦察和通信平台出现在空中，引起了国际社会各有关方面的关注。
目前，发达国家特别是美国对开发和验证近空间飞行器十分热衷，正如美国空军研究实验室主任Stephen Martinick所称，“现在美国国防部对开发近空间飞行器抱有极大兴趣，近空间成了最流行的时髦词，军方和工业界都想在这一领域一试高低。”
近空间，一般指距地面20～100km的空域，处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间。近空间飞行器是指能够在近空间执行特定任务的飞行器。近空间飞行器为情报、侦察、监视和通信设备的搭载提供了工具。近空间在情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等领域具有广阔的发展前景。
本章首先介绍了近空间及近空间飞行器的相关概念，然后简要阐述了近空间飞行器的特点及其应用前景，最后概括了当前世界各国，特别是美国关于近空间飞行器发展的概况。1.1 近空间及近空间飞行器1.1.1 地表大气
地球表面覆盖着一层厚厚的大气。大气层的高层和低层相比较，高层密度比低层小得多，而且越高越稀薄。假如把海平面上的空气密度作为1，那么在240km的高空大气密度只有海平面的千万分之一；到了1600km的高空就更稀薄了，只有海平面的千万亿分之一。整个大气层质量的90%都集中在距海平面16km以内的空间里。当升高到海平面80km的高度，大气层质量的99.999%都集中在这个界限以[1]下，而所剩无几的大气却占据了这个界限以上的极大的空间。
研究表明，地球大气层的顶部并没有明显的分界线，而是逐渐过渡到星际空间的。高层大气稀薄的程度虽说比人造的真空还要“空”，但是在那里确实还有气体的微粒存在，而且比星际空间的物质密度要大得多，然而，它们已不属于气体分子，而是原子及原子再分裂而产生的粒子。以80～100km的高度为界，在这个界限以下的大气，尽管有稠密稀薄的不同，但它们的成分大体是一致的，都是以氮和氧分子为主，这就是我们周围的空气；而在这个界限以上，到1000km上下，就变得以氧为主了；再往上到2400km上下，就以氦为主；再往上，则主要是氢；在3000km以上，便稀薄得和星际空间的物质密度差不多了。
自地球表面向上，大气层延伸得很高，可到几千千米的高空。根据人造卫星探测数据推算，在2000～3000km的高空，地球大气密度便达到每立方厘米一个微观粒子这一量级，和星际空间的密度非常相近。因此，2000～3000km的高空可以大致看做是地球大气层的上界。
整个地球大气层像是一座高大而又独特的“楼房”，按其成分、温度、密度等物理性质在垂直方向上变化，世界气象组织把这座“楼”分为5层，如图1-1所示，自下而上依次是对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层。图1-1 大气的分层1.1.1.1 对流层
对流层是大气层最下面的一层，它的厚度随纬度而异，赤道附近厚17～18km，两极仅 8～9km，平均厚度11～13km。对流层厚度还随季节变化，一般夏季较厚，冬季较薄。同大气层总厚度相比，对流层是很薄的，但其质量却占大气圈总质量的70%～75%，且集中了大气层几乎全部的水汽和尘埃。对流层的主要特征是：①温度随高度增加而降低，一般平均每升高1km，温度降低6℃，这称为大气降温率。这是由于对流层热量主要依靠吸收来自地面的长波辐射，因此距地面越高，所获得的热量越少。②空气具有强烈的对流运动，这是由于地面的不均匀加热而导致的不同纬度、不同高度的大气具有温度差与密度差造成大气相互流动，空气对流使地面的热量、水汽和杂质向高空输送，从而发生一系列天气现象，如风、雪、雨、云等。③气象要素水平分布不均匀，由于对流层受地表的影响较大，其温度、湿度的水平分布很不均匀，并由此而产生一系列物理过程，形成复杂的天气现象。1.1.1.2 平流层
平流层是从对流层顶至50～55km高空的大气层，其质量约占大气层总质量的20%。平流层的最显著特点是气流以水平方向运动为主，并因此而得名。平流层水汽和尘埃物质含量很少，不存在对流层中的各种天气现象，适于飞机飞行。在平流层的上部存在着臭氧层，它能吸收来自太阳的99%以上对生命有害的紫外线，所以称它是地球生物的保护伞。平流层的温度最初随高度的增加保持不变或略有上升，但升至30km以上时，由于臭氧吸收了大量紫外线，温度上升很快，到平流层顶时温度升至-3～17℃。1.1.1.3 中间层
自平流层顶至85km左右高空的大气层。由于这里没有臭氧吸收太阳辐射的紫外线，气温随高度增大而迅速下降，至中间层顶界气温降到-83～-113℃。由于下热上冷，再次出现空气的垂直运动。中间层的顶部已出现弱的电离现象。1.1.1.4 电离层
又称暖层（Thermosphere），为从中间层顶到800km的高空。电离层的空气已很稀薄，质量只占大气总质量的0.5%。电离层的空气在太阳辐射和宇宙高能粒子作用下，温度迅速升高，再次出现随高度上升气温升高的现象。据人造卫星观测，到500km处温度高达1201℃，500km以上温度变化不大。同时，因紫外线及宇宙射线的作用，氧、氮被分解为原子，并处于电离状态，按电离程度可分为几个电离层，各层能反射不同波长的无线电波，故在远距离短波无线电通信方面具有重要意义。1.1.1.5 散逸层
也称外逸层，位于800km以上至2000～3000km的高空，空气已极为稀薄。散逸层是大气层与星际空间的过渡地带，其温度也随高度的增加而升高。因离地面太远，地球引力作用弱，空气粒子运动速度很快，所以气体质点不断向外扩散。1.1.2 近空间的概念[2]
近空间也被称作近太空、临近空间或者亚轨道。根据国际航空联合会（FAI） 的定义，近空间的范围确定在23～100km。美国空军参谋长约翰·江珀（John Jumper）将军、国防部航天负责人彼得·蒂斯（Peter Teets）和空军航天司令部司令兰斯·洛德（Lance Lord）将军曾共同商定，将近空间范围定为20～300km。然而，目前大多数专[3]家倾向于把近空间范围定义为20～100km，它基于多种考虑。把20km作为近空间的最低界限，主要是因为它必须在国际民航组织（ICAO）控制的18.3km空域之上；近空间的最高界限暂定为100km，主要依据国际航空联合会（FAI）的定义，并考虑已有国际空域主权的协议和惯例。
近空间和近地空间是两个不同的概念，在《中国大百科全书》和《中国军事百科全书》中，近地空间的定义为：“地球静止卫星轨道4高度（约3.58×10km）及其以下的空间”，即近地空间是一个以地球4[4，5]为中心、半径约3.58×10km的球形空间，该球形空间的半径约为地球和月球之间距离的1/10。
近空间的概念目前还没有严格的界定，一般指航空和航天之间的过渡区，大致包括大气平流层顶部区域、中间层区域和电离层底部区域，即基本上与空间科学中所谓的“中层大气”区域相对应。因此，也有一些学者主张用“中间层”这个概念。近空间和地球大气各层的关系如图1-2所示，其下面的空域（20km以下）是传统航空器的主要运行空间，其上面的空域（100km以上）是航天器的运行空间。关于近空间飞行环境，详见本书第2章，这里不再赘述。图1-2 近空间与大气层各层之间的对应关系1.1.3 近空间的法律地位
现行的国际公约里，并无“近空间”这一概念，只有空气空间和外层空间的概念。近空间作为一个新的技术概念，其法律性质和空气空间与外层空间的定界这一古老的、悬而未决的命题息息相关。在学术界，就近空间的法律地位，不同的学者持有不同的观点。
一些学者主张，离地面100～110km处及其以下的空间为空气空间，而该界线以上的区域为外层空间，空气空间是地面国领土的构成[6]部分，即领空。依此观点，近空间处于地面国领空的上部，属一国领空的范围。
也有一些学者主张效仿《联合国海洋法公约》，将距地面22km以[7]下的空气空间界定为地面国的领空范围。由此，近空间的大部分则不属于地面国主权范围。
还有学者认为，距地面88.5km以下的空气空间为地面国的领空，距地面160km以上的空间为外层空间，而在88.5～160km之间的[8]区域，应作为缓冲地带，设立无害通过权。按照这种观点，近空间将有一部分属于地面国主权范围，一部分属于外层空间。
对于是否有必要对空气空间和外层空间定界这一问题，各国的态度也截然不同。支持定界的国家认为，定界有助于确定管辖外层空间活动的法律制度的适用范围，而反对定界的国家认为，在并无实际意义，也缺少科学依据，而且大多数国家不能遵守和控制指定界线的情况下，定界可能还会阻碍空间技术的发展，因此对外层空间定界既无必要也不可行。
2005年，和平利用外层空间委员会举行第44次会议，邀请各成员国就外层空间定义和定界的有关信息发表意见。随后，委员会陆续收到了一些国家的回复。回复表明，当前许多国家在外层空间定义和[9]定界问题上的实际情况各不相同。（1）德国、捷克、韩国、委内瑞拉、玻利瓦尔、冰岛、乌克兰等国尚未制订，也未计划制订与外层空间的定义或者定界有关的法规。（2）捷克、墨西哥、巴西、阿塞拜疆等国主张有必要对空气空间和外层空间定界，并承认《国际民用航空公约》以及《关于各国探索和利用包括月球和其他天体在内外层空间活动的原则条约》（简称《外空条约》）所确立的基本原则——“地面国对其领土上方的空气空间拥有完全的专有主权，以及外层空间由所有国家根据国际法自由探索和利用”，但是并未明确领空的高度。其中，巴西还声明将开发具有与“航空航天物体”的特性相似的航天器，既能在空气空间也能在外层空间活动，并主张根据该航天器飞行领域的不同而分别适用航空法或者外空法。（3）丹麦等国则主张目前没必要对外层空间进行定义或者对空气空间和外层空间进行划界。（4）世界上的几个主要大国均未表明自己的主张。
综上所述，空气空间和外层空间定界问题虽然经历了多年的讨论，但到目前为止，学术界和各国官方并没有达成相对统一的意见。1.1.4 近空间飞行器定义《剑桥百科全书》中对于航空器和航天器的定义分别为：利用机翼或其他方法产生升力支持自身在地球大气层内飞行的一切运载工具称为航空器，在真空、失重、强辐射的太空环境中使用的各种飞行器[10]称为航天器。《中国大百科全书》（航空航天卷）中的定性描述为：航空器指能在大气层内进行可控飞行的各种飞行器；航天器指在地球大气层以外的宇宙空间，基本上按照天体力学的规律运行的各类[4]飞行器。
近空间飞行器，顾名思义是指能够在近空间执行特定任务的飞行器。美国空军航天司令部司令兰斯·洛德上将在空军空间战研讨会上曾指出，携带有效载荷进入近空间领域运行的近空间飞行器（平台）应包括热气球、飞艇，以及其他“持久稳定、效费比高、生存力强和反应迅速”的系统。基于上述认识，近空间飞行器可定性描述为：能持久稳定运行于近空间执行特定任务的各种飞行器。
近来，笔者以近空间、临近空间、近太空、亚轨道、中层大气（中间层）分别作为关键词，对中国期刊全文数据库（CNKI 2005年至今数据）中内容涉及飞行器的中文文献进行了全面检索和统计。结果发现，标题有“近空间飞行器”称谓的文献50篇，“临近空间飞行器”称谓的文献100篇，“近太空飞行器”13篇，“亚轨道飞行器”20篇，“中层大气（或中间层）飞行器”的文章0篇（没有检索到）；“近空间飞行器”和“临近空间飞行器”的文献数量远超过其他文献。可见，“近空间飞行器”和“临近空间飞行器”是目前国内学术界对此类飞行器称谓的主流。
值得注意的是，在国家自然科学基金委网站“临近空间飞行器的发展趋势和重大基础科学问题研讨会在京召开”（http：//www.nsfc.gov.cn/Portal0/InfoModule_375/1111.htm）一文中有以下描述：“近空间（Near Space）是指距地面20～100km的空域，由于其重要的开发应用价值而在国际上引起广泛关注。近空间飞行器是指只在或能在近空间作长期、持续飞行的飞行器……与会专家就近空间飞行器的需求背景、发展状况、关键技术和科学问题等进行了研讨，还对应称为‘近空间’还是‘临近空间’进行了讨论，认为目前虽存在着这两种叫法，但称为‘近空间’更为准确。”
可见，目前的官方权威机构（国家自然科学基金委）已经给“近空间飞行器”的称谓“定了调”。事实上，从2007年至今，国家自然科学基金委每年制订的《近空间飞行器的关键基础科学问题》重大研究计划指南中一直沿用了“近空间飞行器”的称谓。故本书稿中统一采用“近空间飞行器”。1.1.5 近空间飞行器的分类
近空间飞行器也称作“临近空间飞行器”，是指工作于近空间，并利用近空间独有的空间资源执行一定任务的一类飞行器。根据任务用途可将其分为近空间信息平台和近空间运输平台；从推进角度来划分，可以分为自由浮空器和可控飞行器；从目前的发展情况看，近空间飞行器主要包括自由浮动气球、飞艇、无人飞机和高超声速飞行器[2]（HCV）等；根据飞行方式和原理划分，近空间飞行器可分为轻于空气的飞行器（LTA） 和重于空气的飞行器（HTA），LTA主要包括平流层飞艇、平流层高空气球（即超高空气球）、平流层半可控浮空器，HTA主要包括太阳能平流层飞机、平流层无人机、高超声速飞行[11]器等。其中，太阳能平流层飞机和平流层无人机又统称为“超高空无人机”。1.1.5.1 轻于空气的近空间飞行器（浮空器）（1） 平流层飞艇
平流层飞艇是一种轻于空气的飞行器，主要由艇囊、能源系统、推进系统、载荷舱、艇首和艇尾结构、控制系统等组成，工作在近空间的低层（高度在20～30km），依靠静升力驻空，由太阳能为其提供能源动力，并带有推进系统，具有携带数吨重的有效载荷并实现定点、主动控制和机动的能力，它与平流层高空气球的最大区别在于具有推进和控制飞行状态的装置。平流层飞艇能长时间定点驻空，时间可长达数月或数年，非常适合作为新型信息平台，用来进行高分辨率对地观测、通信中继、区域预警、区域导航等。
2005年底，美国洛克希德·马丁公司与导弹防御局（MDA）签订1.47亿美元的HAA平流层飞艇合同，计划2009年研制成功原型艇，并进行演示验证。美国空军正在开发“攀登者”（Ascender）军用巨型飞艇，其设计飞行高度为30～50km，初期阶段研制工作已经结束。其他参与平流层飞艇研制的机构或公司还包括欧洲空间局（欧空局，ESA）、韩国航空宇航研究院（KARI）、日本宇宙航空研究开发局（JAXA）、Linda Strand 公司、马来西亚国家浮空器技术中心、[12，13]Raven工业公司等。（2） 平流层高空气球
平流层高空气球是一种飞行在平流层高度（30～40km）的无动力飞行器，具有飞行高度高、成本低、准备周期短、易于灵活实施等其他飞行器所不具备的特点。平流层高空气球飞行系统由气球、球伞分离装置、回收伞、绳缆和吊舱组成，吊舱内除了装有有效载荷外，还装有遥测遥控设备、电源、压舱物等。平流层高空气球目前主要采用排气阀和抛压舱物来调整气球的升速和高度，并综合利用平流层的风向变化来控制其航迹，但是这种控制方法存在很大局限性，会导致平流层高空气球飞行时间较短（一般不超过数周）。平流层高空气球目前还无法实现定点控制，是一种短航时自由飞行的近空间飞行器。而且，根据平流层高空气球的特点和任务需求，其发放地点、季节和飞行区域的选取都有比较严格的限制。
目前，国外开发平流层高空气球的研制单位较多，先进水平的代表为美国国家航空航天局（NASA）研制的超压、长航时高空气球（ULDB），已经能飞行到48.7km的高度，并携带680kg的有效载荷。国内目前从事该方面研制工作的主要有中国科学院高能物理研究所，53其研制的4×10m高空气球的飞行高度已达到40km，并可研制最大653[1]×10m的高空气球，最大发放有效载荷重量1500kg，飞行高度为[14，15]40km。（3）平流层半可控浮空器
平流层半可控浮空器是一种飞行在平流层高度的无动力飞行器。一方面，它在技术上继承了平流层高空气球的特点；另一方面，为了克服平流层高空气球在航迹控制和高度控制上的局限性，它在控制系统上进行了很多技术革新。平流层半可控浮空器主要由气球、长绳索、控制动力装置、有效载荷等组成。
平流层半可控浮空器的控制方法是在气球下面挂一条长15km的绳索，端头连有一个动力或气动力装置，该装置处于平流层低层，利用该处产生的推进力或气动力来提供一定的控制，从而操纵气球的航迹，获得一定的机动能力。目前，国外这类近空间飞行器还处于概念研究和探索试验阶段，参与开发的机构主要有NASA、环球宇航公司和Raven工业公司等。1.1.5.2 重于空气的近空间飞行器（1）太阳能平流层飞翼
太阳能平流层飞翼是一种利用太阳能作为能源动力并依靠空气动升力飞行的飞行器，其飞行高度可达到30km，有效载荷能力为100kg左右。它采用单晶硅太阳能电池提供能源，带有储能电池，并以高效的高空螺旋桨作为推进动力，能够完成大多数情报侦察监视任务和无线电通信任务。目前，美国南加利福尼亚州的空间环境公司已研制成功“太阳神”（Helios） 演示验证飞翼，由于“太阳神”遇到夜间能源供应等问题，目前难以实现长期滞空，技术还不成熟，可靠性不高。但是，随着高效能源储存技术的不断进步，太阳能平流层飞翼有望在将来实现数月或数年的长期滞空，具有十分诱人的应用前景。（2）平流层无人机
平流层无人机是一种高性能的战略级大中型高空长航时无人机，其飞行高度可达20km 以上，飞行时间可达数天，用来执行军事侦察和攻击任务。平流层无人机以高性能涡轮风扇发动机为动力，飞行控制系统采用全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS），可自动完成从起飞到着陆的整个飞行过程，可自主完成洲际飞行，一天之内4可以对约13.7×10km远的区域进行侦察。无人机可同时携带光电、红外传感系统和合成孔径雷达，能不间断地对目标实施高清晰的侦察，且不容易受战术伪装的欺骗，能将侦察图像直接实时地传给地面站。在平流层无人机中，美国诺斯罗普·格鲁门公司的RQ-4“全球鹰”无人机属于佼佼者，并已经开始投入使用。“全球鹰”无人机可在21km以上高度执行任务，留空时间长达42h，其有效载荷能力在1.8t以上，美国海军计划用其来承担日益增加的信号情报任务，并进一步增强美国的广域海上监视早期作战能力。（3）高超声速飞行器
高超声速飞行器一般是指飞行速度在Ma 5以上，采用吸气式超燃冲压发动机作为推进动力的飞行器。这种飞行器将按需要垂直或水平发射，在近空间的中高层巡航工作，采用碳氢燃料或氢燃料，预计能在2h内到达全球任意地点。高超声速飞行器也是一种新型空天运输飞行器，负责将有效载荷运送至全球各地，甚至近地轨道，或者进行空中监视，或者执行其他类型的作战支援任务，然后返回地面水平[16]着陆，并可重复使用。
由于高超声速飞行器具有极大的战略意义和应用价值，世界主要航空航天大国如美国、俄罗斯、法国、日本、英国等都在开展相关工作，但由于其难度大，目前各国仍处于概念研究和可行性试验阶段。美国在该领域处于领先地位，NASA于2004年成功试飞了X-43A验证机，创造了Ma 9.8的飞行速度，验证了超燃冲压发动机的可行性。我国也高度关注超高声速飞行器的发展研究工作。1.1.5.3 组合式近空间飞行器
为了使近空间飞行器机动能力更强、控制性能更好，各国研究人员提出了轻于空气的飞行器和重于空气飞行器特点结合的组合式近空间飞行器。这类新型飞行器目前主要处于概念研究阶段，主要有固定翼浮空器组合飞行器、升浮一体化式近空间飞行器、螺旋桨升力辅助近空间飞行器、气球飞机组合式近空间飞行器等。（1）固定翼浮空器组合式飞行器
这种飞行器的升力来源于翼面产生的动升力和充气囊体产生的静升力，这使得它具有很强的机动能力和良好的控制性能，但会带来总体设计和制造技术上的挑战。（2）升浮一体化式近空间飞行器
通过飞行器外形设计（如艇体气动外形设计等）实现较大的升阻比，利用艇身产生动升力，结合飞行器本身的静升力，可在较小的体积下携带足够的承载重量。该方案继承了平流层飞艇的技术基础，以静浮力为主，通过改进，产生辅助动升力，提高飞行器总升力，可实现在平流层更高位置的驻留，因此工作于平流层上层区间（大于30km）的飞行器可采用此设计方案，如美国JP宇航公司的“攀登者”飞行器。（3）螺旋桨升力辅助近空间飞行器
采用垂直螺旋桨或侧向螺旋桨，通过外加动力产生飞行器悬停所需的升力和操纵力矩，可以增强飞行器的升力、机动能力和控制操纵能力。（4）气球飞机组合式近空间飞行器
它由气球提供升力，气球通过绳索与飞机相连，由下方的飞机提供操纵力，从而实现整个飞行器的控制与操纵。1.1.5.4 按飞行控制技术分类
按照飞行控制技术，近空间平台（或飞行器）又可以分为自由浮[17]空器、可操纵自由浮空器和机动飞行器3种。（1）自由浮空器
自由浮空器基本上就是简单的悬浮气球，其制造和发射成本低，升空后不具备位置保持能力。它们发射后主要受风支配，没有常规的主动操纵或推进系统，但是却能够利用不同海拔高度上风向、风速的差异所产生的可变压载实现有限的操纵。自由浮空器可以搭载数十到数百千克的载荷到达超过30km的高度，但是多数典型的自由浮空器（如气象气球）的有效载荷只有数十千克。
美国部分商业通信平台系统已经采用自由浮空器进行了演示试验，而且国际电联（ITU） 已经为近空间通信平台分配了特定的通信频率。
自由浮空器最大的缺点是回收有效载荷困难，一般使用降落伞或者短距离滑翔回收系统。这种解决方案在低威胁情况下比较有效，在回收过程中回收人员可以相对自由地活动，然而在战场的高威胁情况下，一般自由浮空器只能携带不需要回收的轻量级的有效载荷。
美国的商业公司已经设计出综合气球和远距离滑翔机的回收方案。它们将有效载荷置入高性能自主滑翔机内，滑翔机随自由浮空器升到高空，当有效载荷完成任务后，滑翔机就会携带载荷与气球分离，利用GPS制导自主滑翔返回指定地点。在滑翔机返回飞行的几小时中，有效载荷仍旧可以正常工作。安全返回地面后，滑翔机经过简单的维护就能够快速装在另外的自由浮空器平台上再次放飞。每次任务执行过程中系统损失的只是成本较低的自由浮空器。（2）可操纵自由浮空器
可操纵自由浮空器具有空气动力学控制装置，利用不同海拔高度的风速差异来精确地控制平台的运动。美国设计了一种可操纵自由浮空器方案： 大型的氦气球携带1个轻型、9m高的飞行翼和操纵舵组成的简单控制装置，控制装置通过15km长的缆绳悬挂在气球下方。氦气球的飞行高度为30km，而飞行翼控制装置的飞行高度为15km，利用两处不同的风速，通过控制其产生的升力来保持气球的稳定。
从理论上讲，这类平台能够以很高的精度控制飞行，通常会随着纬度方向的风飞行，但是它们也能够进行加速、减速，随着各种不同角度的风飞行。可操纵自由浮空器具有一定的可操纵能力，因此可以携带有效载荷飞回指定位置，进行回收、修复和再次飞行。（3）机动飞行器
机动飞行器一般带有动力控制装置，能够发射、机动到指定的高度位置并长时间驻留。它可以采用多种动力推进方案。在近空间空气密度较大的低空空域，一般采用螺旋桨推进装置； 在近空间海拔更高的空域，空气稀薄，因而采用电推进或者离子推进等推进装置更有效。
美国空军空间作战实验室已经进行了几年的机动飞行器概念研究工作；海军试飞了低海拔的“探路者”飞行器，并已经为下一步的继续飞行制订了一个相当大的资金预算计划；陆军预计在2008年进行先进概念技术示范（ACTD）的机动飞行器——“高空飞艇”（HAA） 的演示验证试验。另外，许多其他的机动飞行器仍处于概念研究阶段。[18]
按机动性，近空间飞行器又可分为低动态和高动态两类，见表1-1。低动态近空间飞行器主要指高空气球、高空飞艇、高空长航时无人机等。高空气球、高空飞艇属于巨型柔性浮空器，平台自身具有惯量大、刚度低、响应时延长、可控性弱等特点，驻空高度在20[19]～50km的平流层中。高空长航时无人机主要指飞行高度在20～30km之间，飞行时间达几十小时甚至一年的高空战略性侦察机、太[20]阳能无人机等，号称“同温层人造卫星”。表1-1 近空间飞行器分类
高动态近空间飞行器又称跨大气层飞行器（TAV），是指具有以下特征的一类飞行器的总称：能够在空气喷气区的上层和低地轨道（LEO）之间航行，能以最高Ma 25的速度在此区间巡航或机动飞行，可在太空长时间驻留并具有大的机动能力，具有快速的军事反应[21]能力、快速的航天运载能力和可重复使用的特点。
从广义上讲，高动态近空间飞行器包括可重复使用运载器（RLV）、空间作战飞行器（SOV）、军用空天飞机（MSP）、通用空天飞行器（CAV）等一系列具有快速灵活跨大气层飞行能力的飞行器。从狭义上讲，人们常用TAV指具有军事应用背景的跨大气层飞行[22，23]器，而RLV指民用跨大气层飞行器。
无论低动态还是高动态近空间飞行器都可分信息保障、武器攻击两类作战应用。高动态近空间飞行器在武器攻击中又有作为武器发射平台和作为自杀性武器两种具体战法。1.2 近空间飞行器的特点与应用前景1.2.1 近空间飞行器的特点
目前，尽管世界各国提出了多种近空间飞行器方案，但具有重大突破的研究热点主要集中在平流层飞艇、超高空气球和超高空长航时无人机上。平流层飞艇、超高空气球和超高空长航时无人机的设计思想、主要特点和当前面临的主要技术挑战如表1-2所示。其中，平流层飞艇是目前地球同步卫星之外的另一种重要定点平台。表1-2 几种近空间飞行器的设计思想、主要特点与主要技术挑战
从表1-2可以看出，上述这些近空间飞行器的主要特点包括生存力强、效费比高、运行持久稳定、利于目标观测等。具体可概括如下：（1）特殊的运行环境和设计可使其免于一般威胁
从飞行器运行的空间环境来看，近空间飞行器主要飞行在平流层和中间层区域内，这里的气候条件良好，不像低空气球那样会遭遇恶劣天气的破坏，而且该区域超出了地面防空火力的有效射程，受到常[2]规威胁的可能性较低。
从飞行器本身的设计原理来看，有些近空间飞行器的气囊由许多氦气填充的独立的小气袋组成，且填充压力较小。即便受到炮火攻击，泄漏速度也较慢，飞行器有充裕的时间返回基地或回收数据。有些近空间飞行器采用无金属骨架的软体结构，外层用防电磁波探测的复合材料和玻璃纤维制造，雷达截面积较小，几乎没有雷达回波和红外特征信号，很难被探测到。（2）地面覆盖优势明显
与飞机相比，近空间飞行器覆盖范围更为广阔。与卫星相比，由于其能长时间悬停在目标区域上空，可实现直接覆盖，便于连续观测；而卫星一般为周期性重访目标区域，观测周期相对较长，且探测误差相对较大。另外，近空间飞行器飞行高度比卫星低，飞行速度比飞机慢，因此更易探测到小型目标，探测精度更高（雷达等传感器在近空间的灵敏度比在空间时高数十倍）。如采用编队飞行技术，近空间飞行器在覆盖范围等方面的优势将更加突出。经试验演示，超视距无线电设备搭乘气球飞往高空，能使它们的覆盖半径从16km扩大到约644km，这为改善近距空中支援作战、持久侦察、监视和情报收集提[24]供了巨大潜力。（3）能持久稳定地运行在目标区域上空
近空间飞行器的最大优势是滞空时间长，可以在某个站驻留几个月乃至一年，工作时间一般只受天气、故障和例行维修的限制；而飞机在空中的飞行时间是以小时来计算的，且受气候条件影响严重。近空间飞行器能安静并且平稳地完成升降和飞行，这对其携带高科技监视设备至关重要。
另外，可驻留近空间飞行器位置相对固定，可用多种方法定位（如地面精密测量雷达），具有系统独立性，战时可不依赖卫星定位系统。（4）可实现快速响应
首先，近空间飞行器大多不需要动力发射架，可携带有效载荷随时应急升空，实现快速机动部署；同时可按需移动位置，完成任务后可安全回收。其次，由于近空间飞行器运行高度比卫星轨道低，传输信息的路径相对较短，既避免了长距离传输带来的信号损失，又有效保障了信息的及时传递。另外，一些高超声速近空间飞行器速度不断提升，如X-43A已于2004年11月创下Ma 10 （11260km/h）的飞行纪[25]录。它突出的快速反应能力，使紧急情况下实现“全球到达，全球作战”成为可能。（5）制造成本及运行费用相对较低
目前，一个40m长的软式飞艇的造价约为200万美元，远低于价值几千万美元的航空无人飞行器和数亿美元的预警机、卫星。与卫星相比，用于通信的飞艇成本在2000～3000万美元，而一颗通信卫星包括发射费用在内总成本为2.5亿美元。在运行方面，近空间飞行器可依靠自身提供的升力到达预定区域上空，即便借助推进器升空，与飞机相比也可降低约30%的能耗和飞行费用；另外，近空间飞行器只需少量的维护工作就可连续使用，维修费用远低于飞机和卫星。（6）可重复使用性
大多数近空间飞行器都可以回收重复使用，能够方便地追加新型[7]的任务载荷，对任务载荷升级换代快。（7）良好的运行特性
超高空气球、平流层气球等近空间信息平台的噪声、振动、冲击、加速度小，温度和空气湿度可保持较稳定的水平，可为有效载荷提供较好的工作环境。而且，这样的近空间信息平台不需要昂贵的火箭发射，运行过程中也不需要消耗大量燃料，其运行成本较低，同时有利于环境保护。1.2.2 近空间飞行器的军事应用前景[26]
最近，美军的一份报告中将“联合作战空间”（JWS） 定义为“近空间”与“空间”之和，进一步明确了近空间在联合作战中的地位。近空间飞行器的特点决定了其在情报收集、情报传输、快速反应等方面具有重要的军事应用价值。近空间飞行器将作为军用航空器[2]和军用航天器的有效补充，成为未来联合作战中一支新的重要力量。1.2.2.1 可用作通信中继平台
近空间飞行器作为战场高空通信中继平台，其通信不受地形的限制，可实现超视距通信，对稀路由、大容量、大范围的军事通信特别有意义。近空间飞行器定点高度在20km之上，其通信的视距覆盖直径为1000km（比常规地面无线电系统传播范围大一个量级），面积为528×10km，可以有效地完成战区指挥、协同与机动通信。与卫星相比，其传输距离近，传输损耗比卫星低65dB，可以实现小天线、低功率传输。国际电联已经规定47.9～48.2GHz为平流层平台工作频率，[27]更高的频率更利于实现大容量信息传输。
2005年年初，美军通过在“战斗天星”（Combat Sky-Sat） 高空气球上装载2个相连的PRC-148无线电台，用于地面部队战术通信的无线电通信试验，起转发器作用的气球飞行在20～30km的高空，转播来自地面和空中电台的超视距广播信号。在12次的飞行试验中，美国空军空间作战实验室成功地把超视距电台通信范围半径从16km[28]扩展到600km以上。1.2.2.2 可用作侦察监视平台
近空间飞行器具备全天候、全天时工作能力，能方便快速地在特定时间、特定空间部署小型低轨侦察监视有效载荷，扩大覆盖范围，并提高对特定作战区域的侦察监视能力。近空间飞行器装上侦察传感器（红外与光谱）、全波段监听器可对战场情况及时监测、侦听，也能够与预警飞机和侦察卫星构成三维一体的侦察体系，有效弥补预警机飞行高度低（10km）、探测距离小（400km）、存在移动探测的技术误差，以及侦察卫星系统综合费用高等不足，发挥情报收集的整体优势，实现对目标区域的完全覆盖和全面监测。
美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室正在开发的一次性使用式近空间飞艇——高空侦察飞行器（HARV，如图1-3所示），可快速部署到约30km高的预定位置，利用所装载的传感器提供全天候覆盖，执行超视距通信中继或情报、监视和侦察任务。按设计，HARV能携带22.7～45.4kg的传感器负载，持续工作2～5周，是保卫国土安全和满足军方侦察与通信需求的理想平台。该实验室期望能在近期制造出技术验证样艇并进行演示。另外，2002年美国开始启动高空飞艇（HAA）计划，旨在开发能在20km高空飞行的无人飞艇，以探测和监视向美国本土袭来的弹道导弹等。按照导弹防御局的设想，未来美国太平洋沿岸和大西洋沿岸将至少部署10艘这种飞艇，每艘飞艇均装有探测距离达1200km的监视雷达和其他传感器，能连续30天对来袭[29]的弹道导弹、巡航导弹、飞机等提供预警。图1-3 近空间飞艇高空侦察飞行器1.2.2.3 可用作卫星有效载荷和空间武器的试验平台
卫星有效载荷试验通常借助于飞机、系留气球或者临时设立的高塔来进行，这种方式存在高度低、覆盖范围小、受大气影响大等缺陷，与空间环境相差甚远，无法达到理想的试验效果。而近空间环境可提供平稳的飞行条件，近空间飞行器携带卫星有效载荷到达高于20km的高度，可以在更加接近于真实环境条件中进行试验。同样，随着空间武器的研究和发展的不断深入，近空间飞行器也将成为空间武器试验平台的最佳选择。1.2.2.4 可用作装备兵力投送平台
2003年的伊拉克战争期间，由于土耳其方面拒绝美军借道土伊边界从北部进攻伊拉克的要求，致使美军南北夹击伊军的计划未能实现。由此，装备与兵力的快速投送问题引起美军的高度重视。随着对近空间研究的升温，近空间飞行器有可能成为装备兵力投送的理想工具。
美军正在研究的一种用于装备兵力投送的重型飞艇“海象”（如[30]图1-4所示）被赋予“空中运输舰”的美称，按照设想它能越洋跨洲飞行。“海象”既结合了空运的快捷，又兼顾了海运的大载重量，能够在3～4天运送1800名士兵或500多吨武器装备到达世界上任何地点，航程超过11000km。2005年1月，美国国防先进研究项目局（DARPA）公布了“海象”发展计划的指标征询书，2005年6月授予“海象”发展计划第一阶段的合同，原计划2008年把一架“海象”技术验证飞艇送上高空。图1-4 空中运输舰——重型飞艇“海象”想象图1.2.2.5 可用作近空间武器作战平台
随着高新技术的迅速发展，动能武器、定向能武器等一些新概念武器引起了世界各国的关注，空间武器逐渐走向台前，空间军事化趋势不可阻挡。可以预见，随着近空间飞行器研发的深入，近空间武器不久将面世，近空间军事化的局面也将出现。目前资料显示，美军方可能的应用有：在近空间飞行器上装载不同频段的干扰机，对敌方进行无线电干扰；加装激光发射装置，将地面发射的激光束反射到各种目标上。1.2.2.6 可用作运载、发射及补给、维修平台
巨型近空间飞行器可作为地面到轨道之间的运载器，将诸如宇宙飞船、人造卫星等航天器运抵预定高度并发射入轨；另外，巨型近空间飞行器在近空间犹如一个“近空间站”，也可作为近空间飞行器系统（设备） 的补给和维修平台。由许多飞艇构成、长约3.2km的“黑暗天空站”（Dark Sky Station） 就是美国空军设计的一个永久性有人驾驶平台，如图1-5所示。该平台设在30.5km的高空中，用作宇宙飞船从地面到轨道间的高空中转站、第三方飞行设备补给站以及远距离操纵的无线电通信中继站。另一种是设计长约2km的高空轨道飞艇“轨道攀登者”（Orbital Ascender），它能停留在30～42km的高空，也能在地面到轨道之间往返飞行。这种巨型飞艇可在3～9天的时间内从地面飞抵轨道，从而创造出一种不用火箭就把人和货物运送至地球[31]轨道上的新型安全运送方式。图1-5 “黑暗天空站”设想图1.2.3 近空间飞行器的商业应用前景
近空间飞行器中的平流层飞艇和超高空气球具有可定点停留、滞空时间长的特点，除军事用途外，还具有广泛的商业应用前景。1.2.3.1 对地观测
利用装载在平流层飞艇或超高空气球上的遥感设备，可以实现对观测区域的高分辨观测和实时观测。平流层飞艇或超高空气球特别适合于区域观测和实时观测，是卫星对地观测系统的重要补充。
目前的平流层飞艇和超高空气球可携带的对地观测载荷包括可见光相机、红外相机、合成孔径雷达等。利用这些设备，可以实时地对火灾、交通、海洋、气象、地质灾害、矿产资源、环境污染等进行观测或预警。1.2.3.2 通信
通信方面，与地面中转站相比，近空间飞行器覆盖范围更广，能够低成本地建立起通信系统。经过计算，一个高度为20km的飞艇如果用作国际移动通信（IMT2000）平台的话，可以覆盖直径200km的区域，相当于1500个地面中转站所能覆盖的区域（一个地面中转站一般覆盖5km直径）。在使用IMT2000系统时，地面系统的信号衰减和距离的4次方成正比，而平流层平台信号衰减则和卫星一样和距离的2次方成正比。
与通信卫星相比，近空间飞行器通信平台通信衰减小、延迟小。目前静止轨道卫星的往返通信延迟大约是0.25s，而平流层平台的通信延迟与地面系统几乎是一样的，仅为几十微秒。这样就可以使用低功率的通信终端提供大容量、高速度的通信。
另外，由于可以回收重复使用，平流层平台能够方便地追加新型的通信设备，快速更新通信系统，升级换代迅速，具有很强的灵活性。此外，因为近空间上没有云、雨、雾的影响，在平流层飞艇和超高空气球之间还可以方便地构筑激光通信链路，构成大容量、高速度的通信网络。1.2.3.3 宽带接入
宽带接入方面，平流层平台可以大大提高宽带接入的速度和容量。目前，欧盟已经投入600万欧元用于平流层平台在宽带接入的研究，该计划命名为CA-PANAINA计划，CA-PANAINA计划的理论研究和试验验证结果表明，平流层飞艇和超高空气球提供的宽带接入速度可达吉比特每秒，这种接入速度是传统调制解调器速度的2000倍，是有线ADSL（非对称数字用户环路）接入速度的100倍。
值得注意的是，超高空气球已在一些商业场合取得实际应用。如在美国得克萨斯州和俄克拉何马州，石油开采人员已经在利用高空通信气球来传输和接收油井的数据。
当然，如果技术和时机成熟的话，近空间也不排除成为人们旅游的好去处。1.3 近空间飞行器的发展背景与技术支持1.3.1 近空间飞行器的发展背景
近空间属于名副其实的“无人区”，对于常规飞机来说，空气太稀薄，普通航空发动机难以提供足够动力。因此，目前的近空间空空如也，几乎没有什么飞行器飞行；对于卫星而言，地球引力又太大，难以保持长久的运行轨道。然而，这并不意味着近空间没有军用和民用的开发价值，相反，它所处的环境具有高效益、低威胁等特点，近空间中的飞行器有着良好的安全性，位于目前几乎所有武器攻击和威胁的范围之外。从功效看，近空间飞行器仅为地球轨道卫星距地球的1/20，具有覆盖区域广阔的优势。近几十年来，超高空气球等民用近空间飞行器已经开发出来，并用于提供石油和天然气信息等商业应用，但近空间的军事用途还没有被充分利用。研究发现，从立体实战的角度，高端近空间飞行器的发射、位置保持和电源供应等都急需进[32]行新概念和新技术研究。1.3.1.1 美国高度重视近空间飞行器的发展
美军利用高空气球已有50多年的历史。高空气球曾用于美军飞[33]行员的逃逸系统和“王冠”侦察卫星、“发现者”回收舱试验等。此外，利用超高空气球的高度优势，美军已进行了诸多的空间探测试验。据报道，美空军的高空气球甚至可以达到51.8km的极限高度，搭载6.8t的有效载荷。
长久以来，人们对近空间的军事价值较为忽视，加上技术要求极高，近空间的利用开发缺乏战略性，因而，即便是美俄等超级大国至今仍没有研制出实用性的近空间武器装备。尽管如此，目前美国国防部已经对近空间飞行器开发产生了巨大兴趣，近空间成了时髦词，军方和工业界也都想在这一领域大展身手。
2005年，美国空军协会空战研讨年会在奥兰多举行，一批重量级的空军将领和高级文职官员参加了会议。会议以 “远征的空中和太空力量——构造相互依赖的联合部队”为主题，会议的主要议题之一是当今美国空军面临哪些亟待应对的挑战。会上，美国空军航天司令部司令兰斯·洛德将军认为，近空间确实非常有发展潜力；美国航天司令部应与太空战中心通力合作，积极研发近空间装备；美军除了要研发近空间相关的通信、情报、监视及侦察飞行器之外，还要开发近空间气球上的滑翔机。这种气球在近空间执行任务后，滑翔机被弹出，可携带有效载荷返回发射地，并保证这些有效载荷的重复使用。
美空军参谋长约翰·江珀将军表示，近空间飞行器的发展首先要改变思维方式。他提出，近空间应是指高度在295km以下、19.8km以上的空间范围，即航天轨道飞行的最低点以及空气动力飞行的最高点之间的空间。现在大多航空专家想的都是19.8km以下的空间，而多数航天专家则只关心295km以上的事。恰恰是这种思维模式导致了近空间成为被人遗忘的角落，至今没有被有效利用。为此，约翰·江珀[34]将军命令空军航天司令部牵头，将近空间开辟为作战领域。他认为，联合作战空间将作为转型能力的下一步，使运行的太空能力具有敏捷、快速响应和战场指挥员直接指挥等特点。
2004年，美国空军大学空中力量研究所爱德华·汤米中校，撰写了关于近空间可以以低成本和高效能完成现在依赖卫星的战役战术功[35]能的文章；2005年他又提交了《基于效能空间的样式转变： 近空间可以作为作战空间效能实现器》的报告，他认为，和太空平台相比较，近空间平台能提供很多更具响应性和持久性的效应。像伊拉克、阿富汗等局部战争就极其需要这种持久的通信、情报、侦察及监视能力。美国空军航天司令部确定了重视“齐柏林”飞艇（第一次世界大[1]战中德国使用的大型飞艇，本书第4章中有相应的描述）类飞行器发展的重大思路。
2005年10月，在美国太平洋航天领先地位论坛上，兰斯·洛德将军宣布，美军要发展充满轻于空气的气体、有动力的飞行器，以保持美国在21世纪的领先地位。从获取信息的角度，目前空中有各式侦察飞机，太空有侦察卫星，唯有近空间是处于空中侦察的“处女地”。和太空侦察卫星相比，近空间距离地面更近，同等的探测设备可获得更高的分辨率，此外，近空间侦察还可根据指挥员的意愿，对热点地区进行长时间、不间断的定点侦察。最重要的是，近空间侦察器恰恰因为已超过目前防空武器的射程，不像空中侦察机那样易被敌方防空武器击落，具有较好的安全性。1.3.1.2 近空间资源的战术需求
太空系统的战术应用，一直是世界强国探讨和亟待解决的问题。以现在的太空能力，提供的信息无法达到有效利用，一些情况下，战场空间的感知常常无法直接下达到作战部队，因此，迫切需要更加灵活的系统和更加快速的响应能力。美国太空战术新构想的第一阶段是研发具有作战响应能力的太空力量，也称为联合作战空间。主要任务是集中探索快捷、廉价地发射飞行器轨道平台到地球轨道的技术途径。为实现这一构想，美国空军和海军计划发射“战术卫[36]星”-1（TacSat-1），用于开展战术卫星的应用试验。这种卫星由战场作战者直接控制，而不是由信息控制中心来统一完成通信、情报、侦察及监视的任务。然而，研究显示，这种战术卫星虽然能够保证飞行，但费用昂贵，实时响应能力差，难以实现更快、更廉价的发射。
近空间区域能克服飞机和卫星面对战场应用的不足，超高空气球、飞艇等飞行器可在战场上空飘浮，由战场指挥员直接控制。可以预见，近空间的利用将开辟全新的作战应用领域。1.3.1.3 近空间平台的优势
近空间平台可以提供太空系统相当的效能，同时还能克服太空系统的某些不足。近空间飞行器不仅可以承担雷达和光学成像任务，形成通信网络，甚至还可以从地基光源中继激光束，攻击敌方的各种目标。值得一提的是，近空间平台生存能力很高，雷达信号和热工况交叉部分很少，不易受到传统跟踪和打击手段的攻击，飞机和地空导弹对近空间低端的平台的确存在威胁，但攻击近空间设施仍难度很大。
提供持久响应是近空间平台的特点之一，它的无缝隙空间覆盖能力可精准地为战场指挥员提供各种信息。近空间平台可作为卫星的廉价替代品，用于中继通信和侦察敌人的手段。另外，气球和滑翔机等近空间飞行器能够安全着陆，可对昂贵或敏感的有效载荷进行回收和再利用。现在，美军已经研发了一种类似小飞船的航空器，专门用来架设天线或者对驻伊美军基地进行监控。如果将这些航空器送入近空间，它们可以针对更多目标担负雷达和摄像任务，携带通信节点，甚至成为地面激光源的中继站。
总而言之，未来的新型自主飞行器将会在近空间出现，并应用于侦察和中继战场通信等诸多领域，这是一个高瞻远瞩的构想。对于航空航天工业来说，研制近空间飞艇用于军事，虽然只是刚迈出了一小步，却预示着巨大的概念变革。1.3.1.4 全新战术要求的转变
不同于“平台和媒介”等概念，目前“基于效能”的术语更强调新思维、新途径。太空系统主要用于情报、指挥控制、监视、侦察、通信和导航等领域，可有效支持现代战争。但作为大气层以上的轨道飞行器，卫星要遵循星体轨道力学的规律，发射地点和进入轨道等均受到限制，战术应用上束手束脚，要高效地给作战者提供渴望的信息仍有许多问题需要解决。
目前的通信、导航和情报侦察监视卫星系统虽具有极好的战略效果，但这些非静止轨道的空间系统对于选定的目标和有价值的区域，难以提供以天、周和月为时间要求的持续作战保证，战术效果欠佳。
从实战角度说，一般指挥员需要连续性的情报、侦察、监视和通信能力，响应能力是指挥员最迫切的要求，然而卫星一旦进入轨道，就确定了基本状态，很难有大的响应能力。
在空间系统的作战应用中存在两个缝隙，第一个是覆盖范围缝隙，不能满足有效持久的通信、情报、侦察及监视；第二个缝隙是由军事系统覆盖的高度缝隙，不能处理不同信号强度的信号。但是如果使用近空间系统，这两个缝隙可以同时填补，从而达到作战者希望的能力。1.3.2 航天技术将为近空间飞行器提供支持
近空间是航天和航空飞行器飞行的空白，但航天飞行器已经超过近空间的高端，除探空火箭外，美国光学成像侦察卫星曾把轨道降低到110～160km，实现了0.1m的高分辨率。目前近空间飞行器用于战术还有很多问题需要解决，因此，成熟的航天技术是其重要的推动力[32]量。1.3.2.1 材料技术
近空间飞行的一个不确定因素是强烈的紫外线将在多大程度上削弱近空间飞行器的作战性能。在近空间飞行器材料研制中，工业界所面临的最大挑战是要使飞行器到达大气层范围边缘时能耐受极端的紫外线辐射、严酷的气候和其他恶劣的环境条件。在20～24km高度，风速相对较小，通常低于32km/h，但腐蚀性臭氧和紫外线辐射水平却远高于地球表面。航天材料在抗辐射和耐受原子氧方面具有巨大优势，可为近空间飞行器的材料研发提供参考。1.3.2.2 推进技术
推进技术是发展实用型近空间飞行器的关键。以美国的“攀登者”计划为例，该计划属于JP宇航公司竞争近空间项目的3个计划之[37]一。为了实现应用飞行，该飞行器必须具有比氢推进器更坚固、续航时间更长的推进系统，于是就采用具有连续推力的离子发动机，这种推进器在NASA的“深空”-1卫星和欧洲空间局的“智慧”-1月球探测器上已经使用。计算机模拟显示，这种发动机可在3～9天时间里将数百万个气球推入近空间轨道。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]