中国气球进美国的背后:多年恩怨与材料依赖美国(图)

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前言: 近日,中国高空气球飘过美国上空,这样一个没有任何军事价值的气球引发美国政客集体焦虑,声称威胁到美国的生存,绝对不会容忍,中国公然漠视美国主权,似乎忘了美国是世界上使用侦察气球/飞机入侵他国最多的国家,不过另一方面,我们也要知道,中国制造高空气球的主要材料长期严重依赖美国,一但美国借此发难,将严重影响中国的工业生产。

一:美国的气球恐惧症



18世纪末,法国发明了载人热气球,立即被广泛应用于战争,1794年法国建立了世界上第一支气球部队,并在1796年弗勒吕斯战役中对敌军进行空中侦察,此后广泛应用于美国南北战争、普法战争、意奧战争及第一次世界大战,二战期间,英国人和苏联人在气球挂上铁索组成防护城市或机场的空中屏障,日本人却另辟蹊径,因为日本人发现美国和日本之间有一条以200公里的时速自西向东快速流动的平流层大气,气球到达这条高度9150米,宽8千米的空中走廊后就随着气流向东飘去,3天内可飘飞到9000千米外的美国大陆。当时日本被美国轰炸机大规模空袭,日本轰炸机根本没有能力跨过浩瀚的太平洋奔袭美国本土。为了以牙还牙,日本决定研制气球炸弹漂洋过海攻击美国。



制造这个气球并不容易,常用的浮升气体中热空气和煤气来源简便但浮力效果不佳,氦气兼有浮力较大和不易燃烧的优点,但提炼成本偏高又被美国垄断生产并限制出口,日本人只能选用制备也比较容易,但安全性较差的氢气,但氢气球在太阳照射下会受热膨胀上升,在夜晚又会冷却收缩下降,这样就难以保证在空中走廊飞行,日本人研制了一个由气压高度表控制的机构,然后在气球吊舱铸铝轮形架周围挂上32个小沙袋,

在向东飘去期间气球高度超过11600米,高度表会启动阀门释放氢气,氢气变冷或泄漏导致气球下降低于9000米时,气球的气压计就启动爆炸螺栓自动扔掉两个沙袋。减小重量让气球再度升高,直径约10米的气球球体则用600张多层糯米纸制造,充满需要540立方米氢气,气球吊舱用19根吊索与球体相连,吊舱装有2枚燃烧弹和计时机构,设定在70小时后投放燃烧弹,这样一套机构造价为900美元,在当时相当昂贵。为了制造气球,日本动用了许多电影院和大量妇女和学生,制作的首批气球炸弹于1944年11月从本州东海岸释放,之后每天从日本放飞几十带着燃烧弹的气球,总计释放了超过9000枚气球。



这些气球晃晃悠悠地飘过太平洋,由于气球体型庞大,移动缓慢,缺乏可靠的气象手段避开恶劣天气,自身构造也不足以抵抗强劲风暴,在漫长航程中大部分坠入太平洋,只有900多个气球到达西北各州以及加拿大和墨西哥,大多坠落在人迹罕至的地区,但冬季的北美森林通常为积雪所覆盖,十分潮湿难以燃烧,900多个气球只引发了一次小火灾,美国在俄勒冈、堪萨斯、艾奥瓦、南达科他、爱达荷、内华达等州相继发现了300个气球,一枚气球还落到“曼哈顿工程”工厂附近的电线上,短路导致核反应堆冷却泵停止工作,不过备用电源立即恢复了电力供应。

美国政府担忧日本会用气球炸弹携带生化武器,多次出动战斗机拦截,但效果不好,这些气球飞行高度太高且速度不慢,美军战斗机只击落了20个。美国人当初还以为气球是日本利用潜艇从美国西海岸释放或美籍日本人在搞鬼,但随后美国地质调查局调查发现气球上沙袋中沙子来自日本九州、四国和本州,随后美国空军的航空侦察照片发现在日本九州、四国和本州有大量白色圆形物体,美军遂实施了大规模轰炸,摧毁了许多气球炸弹工厂,但美国严格保密气球炸弹的消息,让日本误以为气球炸弹并无实际效果,由于“效果不佳”和生产氢气的工厂被炸毁,日本最终在1945年4月停止继续施放气球,但气球残骸直到1978年还在俄勒冈发现过,这些气球炸弹堪称世界上最早的洲际攻击武器。

二:美国对华气球侦察



战后美国也从日本得到相关的资料,为了侦察苏联的军事情报,美军就也把一些带相机的气球放入入苏联领空偷拍苏军基地,1955~1956年,美国向苏联放飞了3500个间谍气球,直到U2侦察机投入使用为止,中国空军对高空侦察气球并不陌生,在过去的几十年间,中国空军击落过不少由美国、苏联和中国台湾施放的气球,美国向中国放送的高空军事侦察气球

由直径达数十英尺的塑料薄膜球体,悬挂在长横梁两端的配重沙箱,悬挂在短橫梁上的电源及控制箱,照相设备箱,,回收降落伞及旋转器组成,数十根尼龙绳系挂旋转器的上端,球体充满氦气,侦察气球放送地点选在位于伊朗及土耳其一带的美军基地,利用一万米以上的高空平流层从西向东流动的西风带,气球升空后若尚未达到平流层就开启配重沙箱底部的小孔放沙减轻重量,直到侦察气球上升到平流层开始向东飘行,进入中国境内后,控制系统操纵相机开始照相侦察,并关闭无线电联络任其自行飞行。

照相机是一种专门设计的双镜头相机,由铝合金及玻璃钢材料构成,两镜头光轴相互成约90°夹角,各与垂线倾斜成45°向两边张开,镜头焦距152.4毫米,视场角为74°x74°,相机孔途F6.3,象幅尺寸230x230毫米,采用镜间中心式快门两镜头同时曝光,曝光时间为1/60秒及1/100秒,长120米的胶片可拍摄490张相片,每当照相机拍摄一次,气球下的旋转器6转动6°,改变照相机的摄影方向,纪录装置包括计数器,计时表,磁针罗盘,高度表,太阳高度角等显示器及纪录显示数据的记录相机。每当侦察相机拍摄一次记录相机也记录一次显示数据,冲洗出的相片会显示太阳高度角、磁针方向及摄影日期与时间,就能推算出对应侦察相片所拍摄目标景物所在的经纬度地理位置,由高度表显示的摄影高度与焦距比值可求得摄影相片的大致比例尺,判断目标的大小特征。



当气球按预计时间到达日本海后,定时装置开启无线电供回收船舰测定位置,然后后遥控引爆横梁爆炸螺栓,投下照相设备箱,照相设备箱由五个降落伞吊挂落入海中后,箱外的海水电池受海水浸泡而放电,供给发信机发出无线电联络信号,指引舰船捞起照相设备箱,照相设备箱由玻璃钢制成,内衬垫厚层泡沫塑料,箱体密封,落水时既能漂浮水上,由于气球航长达6000~-8000公里,经常因上升或下降而损坏,因此美军一次会投放达上百个气球,除飞越中国外,有时还飞到苏联、蒙古、朝鲜,不过90年代以后中国国土防空能得到全面提升,已多年没有出现过气球飞入中国的现象了。

但到了2019年,南部战区空军地面雷达首先发现了一只飞行高度在在2万米上下的高空侦察气球飞入中国,这个气球的飞行高度是很高,红外特征及红外信号很弱,有可采用了雷达吸波涂料,极难发现与截击,南部战区空军担负战备值班的歼一10C战斗机随即紧急起飞,使用第四代PL-10红外成像制导空空导弹一发就将其击落。虽然无法确认这只气球是施放的气象部门的大型探空气球、商业宣传用的大型气球,还是高空侦察气球,也无法查证其国籍。



但2019年,美军就开始研制平流层监视气.球,美军南方司令部在南达科他州放飞25个美国内华达山脉公司研制的太阳能高空无人气球,这些载有合成孔径雷达的气球在2万米高的平流层漂移过中西部6个州,平流层气球能够在目标地区上空盘旋数天,不分昼夜地跟踪下方25英里范围内行驶的汽车和船只,并将数据其传给地面接收器,由于风在不同高度向不同方向移动,气球只需上升或下降就能在目标地区上空盘旋,美军认为平流层气球部署方便、廉价能长时间运行,是一件好武器,2022年,美军在菲律宾克拉克基地部署美国RavenAerostar公司的侦察气球,ICAO号码分别为AD0512、AD08C9、AD015B、ACFDA4,均起飞于,作业高度一般在平流层大约15000-20000米,一次能部署100天,监视面积7850平方公里,所谓作贼心虚,美国见任何气球自然也都认为这是侦察气球了,

三:中国对氦气的需求

不过有一点值得注意的是,中国用于充填气球的材料是几乎全部在美国控制之中,早期的气球用密度又比空气要小得多的氢气作为升空材料,但氢气和空气混合后会爆炸。因此改用安全性高的氦气作为升空材料,氦气是一种密度仅为空气0.138的无色无味惰性气体,水中溶解度很低,化学性质不活泼,用于充填气球和飞艇非常安全,属于元素周期表中的零族元素,是熔点、沸点最低的元素。



在地球空气中含量仅有0.000524%,但其在宇宙中含量仅次于氢,密度也仅次于氢,接近绝对零度时会液化,会使金属电阻会完全消失,导热性也很强,氦主要来源于地幔的铀钍矿物,随着火山活动升到地壳上,由于空气中提纯氦气成本巨大,因此氦气主要从铀钍矿物通过放射性衰变产生氦,然后氨逃离矿物进入的岩石孔隙裂隙中提取,天然气中的氦气浓度也可达10%以上,通过钻探开发利用氨气低沸点的性质从天然气中分离提纯液化。

美国在氦气资源、生产是世界的龙头老大,氦气也被列入对美国利益至关要的35种关键矿产之列,自1963年以来,美国的氦气产量和储备量就是世界第一,全世界探明的519亿立方米氦气资源量中美国占了40%,达206亿立方米,而卡塔尔占了101亿立方米、阿尔及利亚占了82亿立方米、俄罗斯占了68亿立方米,其他国家占了51亿立方米,中国只有11亿立方米,美国年产量是0.91亿立方米,卡塔尔年产量是0.45亿立方米,阿尔及利亚年产量是0.14亿立方米,俄罗斯年产量是0.03亿立方米,其他国家年产量是0.07亿立方米,中国近乎为零。



因此中国的氦气长期严重依赖进口,进口量达100%,需求量还逐年上升,其中2019年就进口了2800万立方米,比2016年增长了1000万立方米,其中34%来自美国,12%来自澳大利亚,53%来自卡塔尔。美国拥有绝对的价格话语权,70年代,美国就把氦气列入对华禁运物资,现在为了换取许美国使用中国稀土才充许中国进口氦气,还要求合同上必须注明用于非军事目的。由于全球氦气需求不断上涨,供需矛盾突出,美国就依靠控制产量来控制全球氦气价格和供应,2018年美国土地管理局通过将上年的14.16亿立方米供应量减至5.95亿立方米,全球氦气立即上涨135%,从4.29美元/立方米上涨到10.1美元/立方米。

美国总统特朗普发动贸易战后,氦气关税又上涨5%,同年卡塔尔氦气工厂检修,减少了出口量,美航天局又乘机大量囤积氦气,导致中国氦气进口价格暴涨,鉴于中国氢气矿藏储量小,资源勘查开发程度极低,对外依存度高、进口结构单一,而中国经济转型和军事现代化导致的国防高新技术和高端制造业快速发展又对氦气需求量增长强劲,美国开始打算将这一重要的工业资源作为压制中国的主要武器,通过禁运来打击中国的工业和国防发展,针对美国的企图,中国的回应是将以稀土资源为武器反击美国的制裁。

四:氦气的其他用途

当然氦气不单是用于充气球,还是一种对国防和先进制造非常重要的产品,首先在液体火箭、洲际导弹等领域应用广泛,液体火箭发动机由于本身质量小,造价低,工作时间长,可多次启动关机及调节推力,所以是长征运载火箭和东风5系列(东风-5甲/A型和东风-5亿/B型)洲际弹道导弹的主要发动机,但液体火箭发动机推进剂大部分燃料是低温、易燃易爆的液氢,贮送系统复杂,无法长期贮存,而液氦温度远低于氢,而且化学性质不活泼,低溶解度、低沸点,可有效和安全地清洗和密封液体火箭发动机贮送系统,而用氮或氩等其他情性气体与液态氢混合会冻结堵塞管道和阀门。



所以液氦是在低温环境中清洗液氢罐和管道系统的唯一选择,使用时液氦用于加压液氢罐上部空间,为推进剂输送泵提供净吸入正压,液体火箭发动机发射一次需要大量的氦,如长征运载火箭发射一次需要20万立方米的氦。液体火箭壳体常用可焊铝合金焊接方法成型,大型火箭箱体必须具备良好的焊接性,又不能焊接成型后再进行热处理,只能用可焊铝合金,焊接可焊铝合金需要氦气与其他气体的混合气体进行保护。同时氦气的高电离作用可以为电弧焊接的空间介质,保证焊接的均性和质量稳定性。

氦气还用于半导体、液品面板和光纤制造,第四代核反应堆中高达790C的气体冷媒,或未来氦的同位素"He与氢的同位素氘发生核聚变反应作为高效、清洁、安全、廉价的核聚变发电燃料。量子计算机冷却,精密分析作为氛围器,真空系统和检漏仪,在航空航天、半导体、核能、低温真空、制冷、食品和汽车行业都有非常重要的应用。总之氢气是第四次工业革命必不可少的工业原料,也广泛应用于军事领域。



氦气是一种重要的激光气体,中国生产的各种飞机和战术导弹武器都需要安装精度高、稳定性好的激光陀螺仪,中国是世界上第四个独立研制激光陀螺仪的国家,历时43年研制的全内腔绿色氦氖激光器广泛应用于飞机外,近程地地导弹、中程空空导弹、远程空空导弹、地空导弹、舰空导弹、反舰导弹,巡航导弹、鱼雷、甚至激光武器,氦气高热导率、低沸点,高雷诺系数,也用于作为马赫数可达到42的高超音速风洞实验气体,用于研究高超音速飞行器、导弹的气动效应,在航空、航天,导弹、舰艇材料焊接制造领域氮气常被用作保护气,为了阻止金属和氧和氮反应,必须在氦氩混合气中加入15%氦气保护,氦在等离子体电弧装置中可产生5000K以上的等离子体射流,用来切割耐熔的合金及陶瓷。

四:结语


鉴于中国对氦气的需求和美国对氦气的掌控,美国随时可能对中国展开封锁,中国近年通过对含油气盆地的地质调查,发现四川塔里木柴达木,松江尚海湾、苏北、海拉尔、民和、三水盆地、大别山区、渭河等盆地有含氦天然气,氨含量1%-9.226%,渭河盆地资源量可达14.78x10立方米,中国正在加大氨气资源调查,研究氦气勘探开发、提取/提浓/提纯工艺技术,提高自主开采和生产力度,加强与卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯等国的进口程度,以求减少对美国、澳大利亚的依赖,避免在关键时刻被美国“卡胖子”因而造成重大损失。

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