氦气传感器 气体传感器在潜水设备氦气控制中的作用

气体传感器在潜水设备氦气控制中的作用

潜水运动，作为现代运动项目之一，受到了越来越多年轻人的喜爱。然而，我们不知道的是，由于海水的密度很高，潜水时需要承受的压力要比在陆地上（陆地上大约是0.21个大气压）大得多。

在100英尺的水深，潜水者需要面对三到四倍的压力，而在300英尺，则可以达到十倍。在如此深的水中，潜水员的耳朵和肺部会承受很大的压力。如果不采取措施，会引起耳鸣、耳聋、头晕、胸闷、呼吸困难，甚至精神错乱、昏迷！这时候用常压空气是很危险的，氦气潜水的优势就突出了！使用高压氦氧混合气可以帮助潜水员更好地适应深海压力，氦氧混合气密度更小，更便于潜水员轻松吸气。氦气潜水的好处之一就是方便潜水员呼吸！

图源网络

因氮气相对便宜，氮氧混合物的经济成本会较低，但在深海潜水中使用氮气可能会导致潜水员出现氮中毒和高氧症。体内氮气过多，深海压力极高。氮气除进入肺部外，还可能借助压力进入血管。潜水员会出现莫名的狂喜，判断力丧失，手脚不协调不平衡，非常危险！而氦气是一种惰性气体，在血液中的溶解度比氮气小，所以氦气潜水相对很安全。

减压病对于潜水员来说是一种常见病。因为潜水员从水底回到海面的速度太快，时间太短，会导致压力突然下降，潜水气体从体内释放出来，变成不溶性气泡堵塞血管，会让人感觉关节疼痛，肌肉酸痛。最严重的情况是中枢神经系统被阻断，导致瘫痪甚至死亡。

安全减压时间与使用的潜水气体类型、潜水深度和潜水时间密切相关。在相同的潜水深度和时间条件下，氦气潜水的优势明显，可以减少减压时间，让潜水员在健康安全的前提下更快的回到海面。

使用氦气潜水的优点是有效减少减压病和潜水病的发生，增加潜水深度，减少安全减压时间。但使用氦气潜水需要特殊的引导，对氦氧混合气或者氮氦氧混合气的比例要求非常精确，小比例的不平衡也会造成很大的危害！这就需要使用专业精准的

悬于天际的“明灯”——军用浮空器再受关注

作者：兰顺正

首发自：《舰载武器》

在2021年11月初，以色列空军（IAF）通过推特发布了一条消息：其部署的一种新型预警浮空器达到了里程碑，这是一种无人系留飞艇，名为“高可用性浮空器系统 ”(HAAS)，被描述为世界上同类气球载雷达中最大的一种。而该则消息也使得军用浮空器成为了各方关注的焦点。

浮空器泛指比空气轻的各类飞行器，而高空气球和飞艇则是其中的代表。世界上第一只大型热气球是在1783年6月由法国的蒙哥尔费兄弟发明的，从此以后人类便开始利用气球进行探空活动，各种各样的气球相继问世，到了20世纪初，气球的飞行高度已达到2万多米。飞机的出现曾经让气球一度被冷落，但后来又逐渐回归。1947年9月，美国人用塑料薄膜制成了一个850立方米的气球，载着30千克重的宇宙探测仪器，首次成功进行了宇宙线探测飞行，之后气球作为运载工具被越来越广泛地用于各种科学实验。

飞艇则是气球技术与操纵技术和推进技术的有机结合，一战的爆发使飞艇技术完全成熟起来，在一战中各国对飞艇的军事应用也达到过高潮，但由于飞艇飞行速度慢，抗风能力差，再加上所填充的氢气易燃的缺点，其地位逐渐被飞机所代替，1937年5月6日“兴登堡”号飞艇失事后，飞艇逐渐被天空所遗忘了。

近几十年，一些关键技术如蒙皮材料技术、气球超压技术等有了很大突破，各型浮空器的性能大为提高，已能在高空停留数月乃至一年，其巨大的军用价值再次引起了各国的重视。

高悬天际，优点多多

以平流层飞艇为例，此类浮空器具有很多独特的优点：

1 效费比高

和军用飞机与卫星相比，平流层飞艇的生产成本相对低廉。高空长航时无人机的价格往往为上千万美元，预警机和卫星的价格甚至达到了数亿美元。相比之下，一个40米长的小型软式飞艇的价格约为200万美元。

2持续及定点工作时间长

与军用飞机相比，平流层飞艇的最大优势是可以滞留于空中。飞机在空中的飞行时间通常以小时来计算，而飞艇则是以天甚至月来计算，这使得它能够长时间持续工作；而且飞艇能够定点工作，与飞机或卫星的越空飞行相比，平流层飞艇能够在目标地域上空悬停，如果其上安装了各种传感器，就可以对目标进行持续、定点探测。

3相对安全

与其他航空器相比，平流层飞艇相对安全。其安全性主要体现在：一是由于平流层飞艇重量轻、结构疏松，可采用无金属骨架的软体结构，且需要的动力很小，因此飞艇的外部信号特征，尤其是雷达截面积和红外辐射强度都很容易采取措施以降低，一定程度上达到了隐身的效果。二是飞艇的囊体内外压差小，即便是受到炮火攻击，内部填充的氦气泄漏速度也比较慢，通常可以有充裕的时间返回基地或着陆，不会立刻导致灾难性后果。三是目前的技术使得平流层飞艇能够处于20千米以上，这样的高度已超过了现在世界上绝大多数作战飞机的攻击高度和地空导弹的射高，所以部署平流层飞艇相对安全。

4侦察视野宽

在20千米以上高度飞行的平流层飞艇，视野比较广阔，其雷达对地面侦察覆盖面积可达1200平方千米。平流层飞艇的飞行速度比飞机慢，而且能在目标地域上空悬停，在飞艇上安装的雷达之类的传感器能更容易探测到小型目标。同时相较于卫星，平流层飞艇的飞行高度低，从而能以更高的分辨率进行拍照摄像。所以平流层飞艇可部分承担卫星的功能，是未来太空卫星的有效替代和补充，又被称为伪卫星。

5载荷限制少

平流层的空气活动不剧烈，飞艇能安静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。平流层飞艇可以设计得很大，一般长度均在150米以上，可以在气囊中携带大型雷达天线，而此雷达天线的形状和尺寸几乎不受限制。平流层飞艇的大载荷能力，使其还能容纳巨型高分辨率光学望远镜和一系列其他遥感设备，以及目标追踪器、通信设备、电子战设备等。

6战场适应能力强

平流层飞艇不需要固定的机场和跑道，具备垂直起降功能，只需要简单的开阔地即可，适于部署在地形复杂的山岭和海岛地区。

7无线通信及时准确

平流层通信平台是介于地面通信和卫星通信之间的空中通信平台。平流层通信比地面无线电通信覆盖面积大，电波不会受到地面建筑物的干扰；与卫星通信相比，飞艇距离地面近，电波的往返距离短，能量损失小，传播时间大大缩短；平流层通信对地面终端所需功率要求小，有利于终端设备实现便携、手持和小型化。

你追我赶，大国竞逐

鉴于浮空器的诸多优点及军用价值，目前很多国家均展开了此类装备的研制。

20 世纪 90 年代后，美军开始研发哨兵系列预警飞艇。1996 年美陆、海军开始实施搭载预警探测装置的浮空器进行巡航导弹先进概念技术验证(ACTD)试验，并于1998年4月正式启动搭载搜索、跟踪雷达对巡航导弹进行预警、探测、跟踪的“联合对地攻击巡航导弹防御用网络传感器系统”(JLENS) 计划，后续不断加强对其的升级、改造，2014 年完成人员培训和战斗部署。2003 年美空军开始实行作为导弹防御系统预警、探测、监控和信息处理平台的临近空间机动飞艇(NSMV) 计划。2005 年美军“高空哨兵”飞艇和“战斗天星”浮空气球试验成功，随后在“施里弗-3”太空演习中，美军首次使用临近空间飞行器作为预警、侦察和通信平台，并在伊拉克战争中进行了验证，由此拉开了世界军事强国临近空间领域角逐序幕。2006 年，美空军科技咨询委员会（AFSAB）发布《在临近空间高度持久存在》报告，随后2007年7月正式启动 F6 计划，在此推动下，美临近空间飞行器进入高速发展阶段，洛马、诺格等公司相继研发操作性、安全性、系统功能更趋完备的高性能临近空间预警飞艇，并在2010—2017年进行的6次“施里弗”系列太空演习中展现了突出的预警、侦察、通信等性能优势。

目前除“高空哨兵”项目外，美国知名的高空浮空器项目还包括洛马公司的“高空飞艇”（HAA）项目、传感器结构一体化飞艇（ISIS）项目、以及谷歌公司的“谷歌气球”项目等。HAA飞艇与ISIS飞艇的用途主要是为美军提供定点通信、情报、监视和侦察能力，可以布设多艘飞艇组网实现广域覆盖。其中HAA采用椭球旋转体外形，艇体内置氦气囊和空气囊，用于浮力与压力控制；艇体两侧各安装两台电动螺旋桨作为推进装置；艇体上表面铺敷薄膜太阳能电池阵列，用于提供电能；艇上搭载雷达、红外传感器和通信设备等有效载荷。2011年7月，HAA验证艇进行了首次飞行试验。ISIS同样采用椭球旋转体外形，艇体内置氦气囊和空气囊；艇体表面集成6000平方米的超大孔径有源相控阵雷达，用于跟踪空中与地面移动目标。2012年以后“谷歌气球”项目一度进展迅速，其气球的留空时间由数十小时发展到环绕地球飞行半年以上，但是在2021年初该项目被宣告关闭。另外美国雷神公司也成功研发了“塘鹅”巨型飞艇，该飞艇长约70米，自重约16吨，载重量约为66吨，能携带大型雷达在30千米的高空长时间工作。据称美军计划在东海岸部署这种飞艇，用于防御来袭导弹和其他飞行器，模拟显示，3艘“塘鹅”就可以监控北纬45°以北地区，30艘就可以初步监控全球。

在美军出兵阿富汗和伊拉克后，为了对固定地域进行长期监控，并为部队提供必要的保护，系留气球再度受到美国军方重视。目前美国是系留气球装备型谱最全、应用最多的国家，其主要系留气球装备供应商有洛马公司和TCOM公司，二者均研制了多种基于流线型球体设计的系留气球装备。

如洛马公司研制的56K型系留气球装备最早于2004年被美军应用于伊拉克战场，通过携带光学载荷，用于巴格达附近地面部队和重要据点的防御。后来56K系留气球装备被部署到舰艇上，由美国海岸警卫队用于边境监控任务，对其东南部海域长期监视。74K型系留气球装备被用于美军持续威胁探测系统(PTDS)，提供远程情报、监视、侦察和通信保障，在阿富汗和伊拉克战场上的执行任务时间超过了100万小时。420K系留气球装备是唯一在美国运行的大型系留气球，通过搭载L88广域监视雷达，建立了美墨边境地区的系留气球雷达系统(TARS)，用于监视低空的飞机、海上和水面目标。

TCOM公司产品涵盖了战术、战役、战略三个级别，其12M和17M系列系留气球为战术级装备，针对快速部署、撤收、再部署的陆地战场监视应用，具有系统紧凑、操作便捷等特点，可搭载可见光、红外、通信中继类载荷为身处复杂地型或偏远地带的地面部队提供信息支持。而22M和28M系列气球为战役级装备，主要针对海上监视应用、重要区域和边防的监视应用，可通过机动式或固定式锚泊平台进而部署，具备灵活的应用模式、较长的驻空时间和较强的载荷能力，是应用最广泛的系留气球装备之一。71M和74M则是战略级系留气球装备，采用固定式锚泊平台，主要用于对如轻型无人机和巡航导弹等低、小、慢飞行目标探测应用，具备强大的载荷能力和更高的工作高度，可搭载长程雷达、主动/被动通信设备为国土与战区防御提供长达30天的保障。

2021年9月美军“多域特遣队”在挪威进行了“雷云”演习，在演习中美军就使用了8套高空气球系统，充当“超低轨道卫星”。据报道，美军在演习中使用的高空气球携带一个带有太阳能电池的载荷飞到数万米的高度，能够对数百公里范围内的目标进行光电和电子侦察，也能够作为通信节点提供信息联通，其获取的情报信息可以直接成为“远程精确打击火力”的瞄准信息，并引导火力打击。

苏联于20世纪五六十年代就开始各种高空预警、侦察、气象浮空器的研制，并在阿富汗战争中运用了搭载通信设备的浮空气球进行战场通信保障。经历一段停滞后，1990年俄罗斯恢复了浮空器的研发，1992年、1996 年分别举办了第一届和第二届俄罗斯浮空器竞标赛。俄罗斯从事临近空间预警探测系统研发的主要有1965年成立的多尔戈普鲁德内自动化设计局、1991年成立的阿夫占尔浮空器中心和在莫斯科航空学院基础上组建的空气静力公司等机构。其中搭载远程预警雷达、情报侦察和信息处理设备的美洲狮、美洲豹临近空间飞行器于1992年前后相继研制成功并应用于俄战区防御体系。AU-30多用途飞艇于2006年研制完毕并投入应用，并在2008年俄罗斯北极科考队租用进行空中侦察拍摄。2010年底，俄罗斯研制的用于军事预警探测的新型飞碟式飞艇测试成功。当前，俄正致力于利用太阳能的搭载预警探测及通信设备的超长航时金雕(Berkut)系列平流层飞艇的研制，并完成了样艇飞行验证。

在气球方面，Augur-RosAerosystems是俄罗斯的主要供应商，其系留气球装备基于流线型球体设计。资料显示，Irbis和Lynx是小体积系留气球装备，充气放飞阶段需要4-6人，工作阶段仅需2人，主要用于60-70千米范围的大型活动安保服务和边境防卫。Gepard中型系留气球装备，地面保障人员需要约8人，通过搭载小型雷达系统，执行170-300千米范围的低空飞行目标、地面与海面目标探测识别任务。Tiger是大型系留气球系统，主要装备雷达、光电等载荷设备，用于半径230千米范围的防空预警、电子侦察、边境防卫等应用。Puma系列则是世界上最大的系留气球装备之一，可搭载大功率雷达承担380千米范围的监视、识别和跟踪等任务。

英国的飞艇技术在世界上也位于前列，英国2002年由ATG集团研制出可搭载2吨预警监视设备，滞空达5年之久的Stratstar飞艇，2004年开始天猫(SkyCat)飞艇系列重型飞艇的研发。在2016年8月17日，英国Hybrid Air Vehicles（混合空中飞艇公司，简称HAV）研制的全球最大飞行器Airlander10完成了它的首次试飞。Airlander10身长92米、宽44米、高26米，载重量达10吨，飞艇内部填充了130万立方英尺的氦气。HAV公司表示，Airlander10最多能够在空中手动航行连续5天时间不间断飞行，无人自动航行则可以连续两周时间不间断，适用于紧急救援、空中监管、旅行载客和物资运输等应用场景。

而中国在浮空器领域同样不落于人后。中国在飞艇领域的相关研究始于“十五”期间，近年来多所高校、科研院所开展了方案论证、关键技术攻关等研究工作，同时部分民营企业也投入到近空间飞艇的研制过程中。其中，北京航空航天大学在“十一五”和“十二五”期间完成了多次高空飞行技术验证，在超压囊体、循环能源、动力推进、飞行控制和发放回收等飞艇关键技术研究上取得了重要突破。2015年10月，北京航空航天大学、北京南江空天科技股份有限公司共同完成了近空间飞艇“圆梦号”的较长时间留空飞行试验，实现了可控飞行与完好回收，同时开展了近空间宽带数据传输、语音图像传输、对地观测与空中态势感知等初步应用试验，标志着中国在近空间飞艇研制领域迈入世界先进行列。

在气球方面，2017年9月10日由中科院光电院研制的超压气球在内蒙古首飞取得圆满成功。该气球球体体积约7000立方米，设计升限25千米，载重能力约150公斤。在飞行中还搭载了四类五种载荷，成功完成了高空无人机投放、高空吊舱环境热控、高空农业育种、高空太阳能电池标定和高空太阳能电池性能测试等试验，取得了大量有效的试验数据，其中多项试验均属国内首次。同年10月25日，中国自主研发的“旅行者”3号临近空间氦气球在新疆测试飞行成功。“旅行者”3号在升空后，一个多小时后到达20千米以上高空的稀薄空气中，共飞行了四个多小时，期间顺利完成了一系列技术测试。而在2021年第十三届珠海航展上，中国电科展出的JY-400系留气球侦察监视系统也十分引人瞩目。该系统是中国电子科技集团有限公司第三十八研究所根据当前国际市场用户需求情况研制的出口型系留气球侦察监视系统，采用一个椭圆形系留气球作为空中平台，搭载预警雷达、雷达侦察设备升空执行任务。资料显示，JY-400可提高对低空飞行目标、海面舰船目标预警能力；可对周围地区进行电磁频谱监测，提高低空、海面雷达情报侦察能力；也可根据用户需求，搭载通信、光电、雷侦、通侦、通信、干扰等各类型载荷，实现通信中继、对地观测侦察等任务。

此次文章开头提及的以色列由于身处敏感地区，长期与周边势力矛盾重重，加沙的哈马斯、黎巴嫩的真主党以及伊朗等近年来都在扩大和改进自己的火箭和导弹武器库方面取得了重大进展，这对以色列整个多层导弹防御架构提出了新的挑战，因此以浮空器为平台的预警系统对于国土狭小的以色列自然是非常重要的。

早在2014年7月和8月加沙边境地区防卫作战行动中，以色列就已经沿边境部署了13艘浮空器，用于遥控监视边境动态。而以色列本身也向其他国家出售了带雷达的系留浮空器，包括以色列航宇工业公司（IAI）的ELM-2083及其L波段有源电子扫描阵列(AESA)。制造商声称它能够跟踪多达500个目标，对战斗机大小目标的探测范围超过250千米，覆盖距离可达7000多米。ELM-2083的客户包括印度和新加坡，据悉后者将该系统与TCOM设计的气球结合使用。

此次以色列空军证实，“高可用性浮空器系统”(HAAS)是由IAI下属的埃尔塔（Elta）公司与IAF、以色列导弹防御组织(IMDO)和美国导弹防御局(MDA)合作开发的，气球本身是由美国TCOM公司生产。据介绍，HAAS驻扎在以色列北部的一个未命名地点，将用于“探测和告警高级威胁”，其主要传感器是空中远程预警（Sky Dew）高架雷达，预计将提供对低空飞行威胁的预警，例如巡航导弹、武器化无人机和其他空中威胁。以色列空军司令阿米卡姆·努尔金少将表示，该系统将成为加强国家边界保护的重要组成部分，并将有助于建立更准确和更广泛的空域图的能力。

参与航天，潜力巨大

另外，除了用于监视、预警以及情报收集外，浮空器在宇航发射领域的潜力也是不可忽视的。在各种发射运载火箭的方式中，使用空中平台将火箭“提”到高空再发射已经不是什么新闻了，目前主要采用的载体是飞机，而气球发射方式就是将借助气球吊装运载火箭上升到高空后再发射。此概念可最早追溯到1949 年，当时天体物理学家詹姆斯·范艾伦（James Van Allen）等人提出用气球发射火箭，这样可以减少火箭在地球大气层中消耗的燃料,但是由于当时的技术限制，这种方法并不被看好。不过随着近来“微纳卫星”开始流行，气球的作用也重新受到认可。

和普通的飞机相比，气球发射有着自己的优势。一方面使用气球的成本更低。系留气球能源由地面供给，可使用常规电力，不需要携带燃料，这样大大节约了飞行器的能源成本，而且气球一般可回收重复使用。综合效费比的话，系留气球的使用成本仅为飞机的5%，使用时还可以比飞机降低约30%的能耗。另一方面，气球能达到更高的高度。研究表明，在空气稀薄甚至没有大气环境的高空发射火箭，可以有效降低空气阻力和重力损失，而且能让发动机喷管能在最优条件下工作，所以能够将载荷入轨所需的速度增量降低8%。此外，高空的低温环境发也降低了对火箭的防热系统的要求，从而能够简化防热系统，实现火箭结构质量的优化。如在2017年3月，西班牙的零至无穷公司就在西班牙海岸附近利用气球将小型火箭——Bloostar提升至25千米高度后，成功实现Bloostar的分离、点火，并在海上完成回收，而一般的飞机难以达到25千米这样的高度。

在2019年的11月有报道称，美国洛杉矶创企狮子座（Leo）宇航公司正在研制一个系统，拟利用在18公里高空由巨型热气球投放的火箭来发射微小卫星。该气球被称为“雷古勒斯”，按可重复使用来设计，每个气球将能反复升空飞行100次，并将配备用来保持稳定和指向的多台推力器，以及供10米长的三级火箭发射用的专利性滑轨系统。按照计划，其火箭将能把33公斤的有效载荷送入550公里的太阳同步轨道，或把57公斤的有效载荷送入300公里的圆轨道。该公司还打算利用“雷古勒斯”和一款3米长的火箭开展亚轨道任务，能把100公斤有效载荷送到400公里高度，而且该系统基本上是采用一辆半挂卡车作为发射平台，因此还具备机动发射能力。不难推测的是，未来随着小型卫星发射任务的增多，这一新发射方式预计将迎来发展热潮。

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