《环球飞行》2014年第四期

 

这一次，中国走在世界之前

 ——珠海NCA“临近空间拓荒者”近太空微型实验室获得成功

◇袁新立

前言：

　　近百年来，虽然世界各国没有停止过以各种方法对临近空间的探索，但一直处于不瘟不火的状态，然而最近十几年，临近空间经济（以下简称“临空经济”）活动日益成为一个世界性的热门话题。由于对临近空间潜在的巨大商业、政治和军事利益有了更为深刻的认识，包括美国、俄罗斯、英国、德国、日本等在内的发达国家都加大了对临近空间进行探索的力度和频率，纷纷开展各类临近空间可操纵浮空器的研制。不过，由于受到基础理论、技术方法等方面的制约，上述国家的多项临近空间可操纵浮空飞行器（或称“平流层飞艇”）开发计划要么阻力重重停滞不前，要么彻底偃旗息鼓。与众不同的是，在这个过程中，中国科学家大胆创新、默默耕耘，从探索和重建基础科学理论入手，在临近空间可操纵浮空器的构造、材料、控制、信息获取和通信方法等方面，开辟了一条全新的可行之路，使中国在该领域的研究与创造开始走在世界的前沿。

 

临近空间，如何破其门而入？

　　关于临近空间的定义，目前各国的共识是指海拔高度在20~100千米的空域范围。由于这个空域的空气过于稀薄，以致大多数飞机都无法在该空域飞行。而相对于卫星来说该空域的万有引力又显得过大，卫星无法在这个空域某一高度的轨道上环绕地球运行。因此，目前还没有任何人造的可操纵飞行器能在该空域长航时飞行或定点驻留。

　　最近十几年里，以美国、俄罗斯、英国、德国、日本等发达国家为代表的许多国家都加快了对临近空间进行探索利用的步伐，临空经济如今已成为世界范围内的一个热门话题。之所以出现这种现象，是因为各国越来越透彻地认识到，能否充分开发和利用临近空间，关乎国家的科技竟争力、经济、政治、国防安全，和一个国家未来在空天一体化发展进程中处于什么样的位置。

 

飞行前准备

 

　　从经济上来讲，临近空间开发利用的目的之一，是通过布置在该空域的临近空间可操纵浮空器(Near Space Controllable Aerostat)来替代亚轨道卫星部分功能，完成各种以前只能靠卫星才能完成的工作，比如农作物产量估计、天气预报、恶劣天气预警、大地观测、通信中继等，从而大大降低业务成本和提高综合效益。而从国防安全方面来讲，临近空间可操纵浮空器能够凭借高度上的优势，用于早期预警、战时通信保障或攻击平台等。尤其重要的是，临近空间可操纵浮空器可作为空、天飞行器之间的协作中继，弥补空天一体化的作业缝隙。由此不难看出，临近空间对于人类未来的发展有着非常重大的意义，也必将是人类探索和利用天空的下一站。

　　不过，要想开发和利用临近空间，就必须全面地了解和认识临近空间自然环境方方面面的细节，其前提就是人类要能够往返和长期驻留在临近空间，这是必须要迈出的第一步。然而也就是这第一步，让许多国家绞尽脑汁仍不得其门而入，这也是为什么虽然前后经历了近一个世纪，人类对临近空间的探索利用的成效仍然微乎其微的根本原因。

“临近空间拓荒者”近太空微型实验室飞向茫茫夜空。

 

“临近空间拓荒者”近太空微型实验室的便携地面测控站

 

　　要从地面往返临近空间并长期驻留在这个空域，各类难于有效操纵的高空气球显然不能担此大任，必须要有能够同时适应对流层和平流层这两种显著不同大气环境的临近空间可操纵浮空器。关于临近空间可操纵浮空器的研究，美国仰仗其雄厚的航空航天科技实力和财力，先后提出并实施了“高空哨兵(HiSentinel)”、“高空长航时飞艇验证艇(HALE-D)”等多个临近空间可操纵浮空器研制项目。然而时至今日，这些耗资巨大、费尽周折的项目仍无一获得成功。

　　2012年10月美国《航宇日报》报道，由于“已困扰研究人员数十年的高空飞艇仍然没有明确可行的方法来解决诸多技术困难”，因此美国研制多个平流层飞艇项目都陆续中止了。日本对其“同温层平台”临近空间可操纵浮空器项目投入了巨资，而实验情况与美国项目也大同小异。世界各国科技人员在探索临近空间可操纵浮空器过程中付出的努力固然令人钦佩，但在航空航天技术已十分发达的今天，人类仍然未能创造出具有实用意义的临近空间可操纵浮空器，却是不争的事实。

 

中国科学家的独特奉献

　　在诸多发达国家纷纷开展临近空间可操纵浮空器的同时，一些中国的科学家们并非只在观望或者跟风，而是不墨守成规，寻找他国项目停滞不前甚至以失败告终的深层原因，从探索和建立与众不同的基础科学理论入手，大胆创新另辟蹊径。

　　过往各类平流层飞艇方案难以化解或绕开的结构矛盾，大多是因为需要对抗但又无法对抗大气压力而引发。2000年，珠海新概念航空航天器有限公司[New Concept Aircraft (Zhuhai) Co., Ltd. 以下简称“珠海NCA”]的李晓阳博士，在多年研究试验的基础上提出了变体空天飞艇的创新科学理论及其实现技术，并于2005年先后获得中国和美国授予的变体空天飞艇(Transformable Airship)发明专利权。李晓阳发现，在人类现阶段科技能力条件下，巧妙利用而不是对抗大气压力，才是能否真正实现临近空间可操纵浮空器的关键所在，与众不同的变体飞艇正是沿着这个思路而创造的。

科技人员监测微型实验室在高空运动和工作的实时状态

 

　　与历史上通过改变重量来调节净静升力的各类硬式、软式和半硬式飞艇基本原理不同，李晓阳的变体飞艇是通过自适或可控改变其容积来调节净静升力，这个基本原理上的全新创造，能够化解种种相互制约、阻碍临近空间可操纵浮空器进程的技术难点。简单来说，变体飞艇是通过现有科技条件下可行的技术方法，借助大气压力使飞艇能够实现自适或可控的数十倍容积变化，利用而不是对抗大气压力，改变其净静升力而改变其垂直向的运动，变体过程中能保持可操纵性和动升力，从而实现从地面到临近空间的三维全向可控飞行或定点悬浮。

地面站显示近太空微型实验室运动和工作的实时图像与各种科研数据

 

　　变体飞艇突破了临近空间可操纵浮空器必须面对的多项技术瓶颈，例如：变体飞艇利用了大气压强这个取之不尽的能源，巧妙的变体结构能够根据各个高度的大气压力，利用微压差致动来自动增大或缩小艇体体积而浮力相对不变，其变容积艇壳和轻质气体仓都无需承受压力，因此其合成艇体的总面密度极低。业内人士知道，对于作业环境周边空气密度极低的临近空间可操纵浮空器来说，艇体总面密度的大小是决定成败的关键技术指标之一。基于“改变重量来调节净静升力”飞艇原理的各类临近空间可操纵浮空器，因其艇体需要保形和承受各高度的大气压力而必须采用高密度的嚢体材料，加大嚢体材料密度又因自重增大而必须加大容积......如此恶性循环。这种状况，正是导致上述各国临近空间可操纵浮空器项目中途而废的关键原因之一。

　　针对不同的应用目的和应用范围，变体式空天飞艇分为径向变体和纵向变体两大类型。可以说，变体式空天飞艇从根本上改变了飞艇的基本原理、构造和技术方法，开辟了人类征服临近空间的一条全新道路。

　　变体式空天飞艇的具体研制过程是十分复杂的系统工程，由于没有在先技术可以借鉴，因此每一个细节都需要创造和反复研究试验，直到得出最佳方案。巨大的工作量难不倒珠海NCA的科技人员，但这项很“烧钱”的工作却经常令大家发愁。

　　与美、日平流层飞艇单个项目有数亿甚至数十亿美元的国家经费支持不同，李晓阳研制变体飞艇经费的主要来源是自筹，通过办企业，创造和制造各种航空航天科普科教器材销往世界各地来筹集科研经费。李晓阳经常不得不放下手头的科研，转战生产制造和国际商务，足迹遍布世界。这位北京航空航天大学飞机设计与应用力学专业94届工学博士告诉笔者：“我和我的团队用这种模式来支撑基础科学研究和应用技创新，已经整整十八年，这种模式的唯一遗憾是会拖延科研进程。”“我们并非要争什么‘世界第一’，既然我们选择了以科技工作为毕生事业，应当做一些有所创造和有利于人类科技进步的事，在平凡的劳动中找到快乐，才是支持我们不断进取的动力源泉。”李晓阳说。

　　2012年，一个无法绕开的技术难题又摆到了李晓阳的面前。正是这个难题，使得本文题述的“临近空间拓荒者”近太空微型实验室得以应运而生。

商业卫星全球实时追踪定位“临近空间拓荒者”

地面站实时显示测试物品在高空的测试情况与数据

 

“临近空间拓荒者”的征空之旅

　　临近空间尤其是平流层上部的近太空高度空气极为稀薄，气压和温度很低，空间环境其它条件与地面也有很大差别。同时，从地面到临近空间的往返过程中，变体飞艇要经受对流层多变气象和边界层高速气流等复杂环境的考验，任何一点疏忽大意都有可能导致难以设想的严重后果。因此，虽然珠海NCA变体飞艇的工程材料、飞控装置、艇载任务和通信设备、能源和推进系统等等，在设计制造过程中都经过模拟临近空间实验仪器的严格测试和外场自然环境测试，但仍然不能确保变体飞艇往返临近空间和驻空运行期间整个系统是充分可靠的。这是一个必须解决的问题，不仅影响科学实验的成败，更直接关系到公众安全。变体飞艇直接往返临近空间存在可靠性风险，而不上去又无法验证系统的可靠性，这几乎成了一个“先有鸡还是先有蛋”的死结。

　　李晓阳想到一个解决问题的好办法: 先创造一种由专用浮空器携带的微小型飞行平台装置，把变体飞艇的工程材料、艇载仪器和能源与推进系统等设备带上临近空间，在自然环境中进行实地综合测试以验证它们的可靠性，然后再把这些装置与变体飞艇主体集成。珠海NCA给这种独特的科研装备命名为“临近空间拓荒者”近太空微型实验室。

临近空间拓荒者飞行轨迹示例

 

　　以往能承载各种探空仪器设备，并能与地面站进行双向通信的平流层高空气球，通常需要有数万甚至数百万立方米的巨大体积，还需要复杂的发送升空设备以及地面雷达测控站等，通过遥控排放氢气或氦气、抛弃球载重物（例如水和沙）来调节升空高度，利用大气环流来回兜圈以留空一段时间。这类平流层高空气球系统造价昂贵，发送与回收操作复杂，使用成本高且受季节和空间气流环境的限制。因此，尽管这种高空气球已经有了数十年的历史，至今仍然只有少数发达国家在开展实验性应用，难以普及。世界各地每天发放的气象气球和小型探空仪成本不高，但这些气象气球的功能有限，需要地面雷达站等复杂装置来配合使用，而且这些气象气球一般都不能回收再利用。近年世界各地流行用小型气象气球搭载摄影器材升上高空拍摄地球美景，这类方法虽然易操作和成本较低，但很难通过远程双向通信来获取实时高清视频图像和照片等信息，只能等待气球破裂后器材伞降落回地面，再借助GPS或无线电定向追踪技术寻回器材，读取图片视频等资料。

　　珠海NCA的“临近空间拓荒者”并非一般意义上的高空探测气球，而是把具有净静升力调节系统和伞降速率控制器的小型高空气球作为载具，搭载功能全面的微小型综合实验室，以极低成本在临近空间自然环境开展科学实验的创新方法。

　　克服了难以数计的困难，经过一年多的努力，珠海NCA科技团队终于完成了“临近空间拓荒者”1号和2号两组近太空微型实验室的所有研制工作。经有关空管部门批准，2013年9月20日深夜，总质量2.1千克、搭载着各种实验材料和待测仪器设备的“临近空间拓荒者”1号，从中国内蒙古的腾格里沙漠起飞。它先是上升到平流层下部的强气流区，借助气流以每秒55米的最大速度飘飞了近百公里，再上升到海拔28027米（约92000英尺）的平流层上部，沿途探测夜间大气环境，实时将各种数据下传地面工作站。完成实验后，可调速降落伞带着实验室，根据气流状况以不同速度穿越大气各层安全返回地面，由在预定着陆点等候的实验人员回收。9月21日深夜，总质量1.86千克、也搭载着各种实验材料和待测仪器设备的“临近空间拓荒者”2号从同一地点升空，用相同的方法先是高速水平测试飞行一段距离，然后上升到海拔38130米（约125000英尺）的近太空高度，完成实验后也安全返回地面回收。

　　“临近空间拓荒者”近太空微型实验室专用的平流层浮空器离地时的容积仅几个立方米，无需特别的场地，一个人就能发送升空。实验室系统能够连续测量地面到近太空整个过程的周边大气环境参数（例如风向、风速、温度、湿度、气压、热度、光照度、臭氧浓度等等），和自身三维运动的实时状态，并能够从多个角度拍摄高清图像。系统中的微型图传数传装置具备足够的带宽，能把各种测量参数和高清视频图像同步实时下传地面站。在“临近空间拓荒者”1号、2号往返临近空间的飞行过程中，珠海NCA的一组科研人员在地面站全程观测和记录平台下传的大气环境探测数据、飞行参数、航迹与三维实时坐标、多路高清视频和图显自动增稳姿态等；另一组科研人员通过视频观测，直接对高空上的实验材料进行遥控测试与记录；远在中国南方的第三组科研人员则通过临时租用的商业卫星信道，在线监测与记录“临近空间拓荒者”近太空微型实验室持续发送的数据信息，全程准确追踪其所在的实时位置。

　　“夜间没有太阳直接辐射，各高度不同时段大气环境的温差、气压变化等种种细节与白天不同。因此，掌握夜空环境对近太空飞行物体运动状态的影响，对将来跨昼夜的长航时定点驻空或飞行很有必要。”李晓阳博士说。

　　“临近空间拓荒者”整个空中系统的总质量约2千克，其中各种功能集于一体、微小型和低功耗的任务设备，质量仅约0.5千克。集成任务设备能够长航时在空中持续工作，在电磁环境和通视状况良好的条件下，地空双向通信距离可达数百千米。如此微小、低耗却功能多样的临近空间实用设备，其工程方法和实现技术在世界上没有先例。

　　“临近空间拓荒者”近太空微型实验室配置了水平向和滚转自动增稳装置，由IMU和电动高空螺旋桨推进器和阻尼舵、定向标等组成。这些装置显著增加了“临近空间拓荒者”在空中运动时的稳定性。空中系统的实验舱和露天平台能够搭载约0.5千克的工程材料和仪器设备。重量仅几千克的便携式地面站功能也很强大，自动追踪空中系统，接收、显示、处理和记录空中系统下传的所有信息，观察和遥控操作工程材料、仪器设备在高空的测试并记录测试数据。

　　“临近空间拓荒者”1号、2号圆满完成的征空之旅表明，这种新方法可以使近太空探测与工程试验的成本显著降低且简单易行，在近太空科研与经济活动中具有开创性的意义。

 

“临近空间拓荒者”亮点纷呈前景广阔

　　现有用于临近空间探索的浮空器，几乎都是体积动辄数万甚至数百万立方米的“巨无霸”，相比之下显得极其微小的“临近空间拓荒者”，作业能力却不惶多让。随着高度的增加，空气密度也在下降。在低纬度地区的地面上，飞艇或浮空器1立方米的容积大约可承载1千克的载荷，而在临近空间高度，例如海拔3万米的平流层中上部，承载1千克载荷就需要近100立方米的飞艇或浮空器容积。这就出现了一个常见的问题：气球或飞艇虽然上天了，但已经没有多少载荷能力了。对此，李晓阳有自己的看法：“这种情况下解决问题只有两种可能，一是尽可能地将载具做大，提高其载荷能力，但是载具做大会带来很多相关联的一系列问题，包括材料、强度、操作和养护等等。二是尽可能地将载具和各种等效载荷做小，当然，将载具和等效载荷做小的难度更大、面对的问题更多，但我们认为这是正确的发展方向。”

　　无论是系统外表还是试验过程，“临近空间拓荒者”1号和2号看起来都没有太大的区别，而事实上两者分别验证了两种不同的信息传输与收集方法。“增大地－空之间的双向通信一般方法是主动发送，靠发射者本身的强大功率，但要保证大的功率就需要更大的体积和重量、功耗等等。我们采用了与众不同的全新技术，利用“光与电磁波具有同一性”和“光群场效应”原理来增大通信距离，让接收者本身就具有很强的接收能力和信号分辨率，能捕捉和处理很微弱的数据信号。”李晓阳告诉笔者。

　　近年来，近太空旅游和高空联网通信等应用浮空器技术的创新科技与经济活动有升温趋势。例如全球互联网巨头美国Google公司目前正在大力推进的“气球网络计划”，这个听起来有些疯狂的项目是计划在大气平流层放飞大量高空气球来组成无线网络，为更多尚未联网或网络条件不稳定的地区提供廉价的无线互联网服务，填补网络服务的盲区，或帮助受灾断网地区恢复网络。然而，这些项目都面临如何实现气球在空中的自动稳定，和对水平向位移的有效控制等关键难题。

　　所以，“临近空间拓荒者”将有助于进一步了解近太空，并为需要进行高空实验的材料、动力与能源以及仪器设备等，提供一种低成本、易操作并且可以重复应用的平台。李晓阳告诉笔者，“临近空间拓荒者”近太空微型实验室的研制与应用飞行，还涉及诸多前沿技术的集成、优化和设备微小型化工程，其成果未来在多个领域都可能有广阔的应用前景，例如在森林和农田水利资源调查、气象观测等方面发挥作用。将来还有可能用于地震、台风等突发灾害地区的紧急通信中继和对地观测站，或作为海洋上空等无法架设通信网络地带的空中通信平台等等。

　　“临近空间拓荒者”技术方法应用的另一个重要发展方向，是地面场站以相对很低的成本对空中飞行器舱内外状态进行全程实时图像监测，获取飞行器三维运动的实时参数，全程精确定位飞行器的位置所在。这显然会有利于迅速和可靠地判定飞行器发生失联、失踪或坠毁等意外的原因，并迅速展开有效的救援，以减少空难损失。

　　在过去的几个月里，马航MH370航班失联事件震惊了全世界，同时也暴露出目前国际上航空运输管理技术方法的巨大漏洞。长期以来，国际民航组织内部一直都在讨论提升飞机的实时监控技术与频率，但是由于技术和成本等因素，目前各航空公司向地面传输监控数据的频率只有30分钟/次，对于高速飞行的民航客机而言，两次数据之间的位置相差何止数百千米。所以，民航业内专家们也开始探讨如何采用新技术方法来提高航空运输安全，包括飞机每6海里要报告一次区位信息，相当于监控数据的传输频率提高到了1.3分/次。而从上文中我们可知，“临近空间拓荒者”不仅能够实现远程高清实时图传，还能多模式全程准确追踪定位飞行器。如果将其技术成果应用到客机上，就可以实时掌握客舱内部情况以及客机自身的工作情况，客机失联、失踪的事件将会显著减少。

　　虽然“临近空间拓荒者”1号和2号的试验取得了成功，但珠海NCA科技团队还有更大的目标。“本次飞行我们测试两个系统的基本工作能力，和它们在三维空间运动时的自动稳定情况，以及准确可靠回收它们的方法，因此只是让它们从地面到近太空飞一个来回。下一次，将测试它们长时间定点悬浮在高空某个指定位置的能力。当然，定点悬浮需要用到另一种全新的技术方法。”李晓阳博士信心满满地告诉笔者。

 

后记

　　在和李晓阳交流的过程中，笔者突然想到了当下最火的特斯拉电动汽车兼SpaceX火箭发射公司老板伊龙·马斯克，觉得二者有很多相似的地方。在别人看来，李晓阳和他的NCA属于民营企业，而且只是小企业而非航空航天领域科研的正规军。然而就是这样的一家小企业，却屡屡在前沿物理、新能源利用、仿生科技与创新飞行方法等方面不断有根本性的突破，取得大量能够促进相关领域技术进步的科技专利，迸发着无穷的创新能量。而美国当前力推的科技创新体制精髓也在于此，即前端利用大量中小公司寻找方向和试错，后端再由大公司持续推进，实现规模化，中间利用资本作为连接的社会化碎片式创新模式。这种模式极大地提高了系统的创新成功率，完全颠覆了之前由一个大公司主导的风险巨大的项目投资。而这种创新模式，未来在诸如新材料、信息技术、下一代互联网技术、生物科学等新型领域将越来越显示出其威力。

　　中国需要更多的李晓阳。

Google Loon计划要解决的一个首要问题就是气球的漂移和定位