2019年临近空间科学技术热点回眸

  回顾 2019 年，高超声速飞行器无疑是临近空间领域最亮丽的风景，多款型号宣布列装部队，对临近空间制空权的争夺已确定进入白热化阶段；高空气球这款历史悠远长久的临近空间浮空器，依然是目前在临近空间长期可靠飞行的唯一选择，在科学研究领域发挥着难以替代的作用；商业太空旅游公司的上市，让人们再次对亚轨道飞行器的首次商业太空旅游飞行充满了期待。

  临近空间一般是指海拔20~100 km 之间的空域，在这个区域，常规的飞机飞不上去，卫星下不来，地基观测和天基观测都存在各自的短板，目前仅有高空科学气球能够在此长期稳定运行，由于缺乏丰富有效的长期原位探测手段，临近空间有太多的未解之谜有待科学家去揭示:例如，临近空间是否有生物，它们从哪里来，临近空间神秘发光现象的成因是什么；临近空间的电磁环境变化对人类活动的影响等。回顾 2019年，在临近空间原位进行科学探测的高空科学气球扮演了主角，其他临近空间飞行器在平台技术探讨研究与试验方面也取得了不同程度的进展，多型高超声速飞行器已经装备部队。值得一提的是，维珍银河借壳上市，成为唯一上市的太空旅游商业公司，距离商业化的太空旅游又近了一步。

  2019年 5月，极地中层云湍流（the polar mesospheric cloud turbulence, PMC Turbo）高空气球飞行实验的成果公开发布。本次试验的飞行时间为2018年 7月 8—13日，从瑞典 Esrange飞到了加拿大北部，历时 5.9 天。 在 Esrange 的发放任务是由美国国家航空航天局（NASA）承担。飞行实验在2018 年夏季最佳时间实现了高分辨 PMC（极地中层云湍流）成像，捕获了 PMC Turbo 动态变化的多样性。

  PMC Turbo实验旨在基于平流层气球平台，在38 km 高度定量观测极地夏季小尺度重力波（GWs）的动力学机制及其对夏季极区中层顶湍流的影响。PMC Turbo 科学载荷包括七台光学摄像机和一个球载瑞利激光雷达（图 1），以 PMC为自然示踪物。其中光学相机在 38 km 高度获取了 82km 高度 PMC 层 20~100 km 分辨率的图像（图 2）。固态瑞利激光雷达（BOLIDE）由德国航空航天中心研制，是国际首次在平流层气球运行的大功率激光雷达。其发射波长为 532 nm，脉宽 5 ns，频率 100Hz，口径 0.5 m，平均功率 4.5 W。瑞利激光雷达获取了地面至PMC飞行高度的温度廓线 发放前的PMC Turbo 载荷舱

  2019年 6—9月，在中国科学院“鸿鹄”专项的支持下，中国首次基于浮空平台开展数百种微生物、藻类、植物等生物样品的临近空间暴露实验，研究这些生物抵抗类火星环境的能力及适应机理，同时也获得数个产量显著提升的经济微生物突变株系，这表明临近空间生物暴露装置（图 3）是一种新型有效的开展类火星环境生物学研究和微生物性状改良育种应用的综合实验平台。

  2019年 8月 1日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在北海道的 Taiki 航天实验站发放了一个直径 11 m的小型高空气球，用于超薄钙钛矿太阳电池的飞行测试。气球最高攀升至太平洋上空约30 km（100000英尺）的高度。 钙钛矿材料具备特殊的晶体结构，当用于太阳电池时，若能克服稳定性和环境兼容性的挑战，能够给大家提供高光照吸收率、低成本和工业可扩展性等潜力，高空气球搭载太阳电池试验是对空间用太阳电池的有效验证手段。

  2019年8月22日，826 kg重的气球载低温望远镜试验台（图 4）“山猫”（balloon- borne cryogenic telescope testbed，BOBCAT）发放成功，在空中飞行了大约 8 h，在平飞高度停留了 4 h 26 min，成功实现既定科学目标。“山猫”是由 NASA的戈达德太空飞行中心的艾伦·J·科古特博士在马里兰州领导的一项技术验证项目，计划利用高空气球平台开展一系列实验以大幅度提升下一代远红外望远镜观测的灵敏度。远红外线是研究宇宙黑洞、星云和新太阳系形成的常用波长。大部分来自太空的远红外线被地球大气层阻挡，甚至连最高的山顶天文台也不能较好的观测。因此临近空间球载观测平台是极佳的空间天文观测实验室。

  2019 年 9 月 18 日，NASA 的高空球载日冕仪BITSE（图 5）终于在萨姆纳堡发放成功。飞行高度为 35 km，平飞时间 6 h。BITSE的科学目标是通过对日冕的密度，电子速度和温度的观测，揭示太阳风暴的形成原因，通过高空气球的飞行试验验证关键技术，为未来在国际空间站的搭载奠定基础。

  2019 年，作为平流层气球的前瞻性创新应用方向，微软创始人比尔·盖茨资助了一项看似疯狂的计划。这项计划由哈佛大学的科学家倡导，旨在遏制全球变暖趋势。按照计划，科学家将把数量惊人的尘土倾倒入地球平流层。理论上，这些尘埃能够形成一个巨型遮阳板，将部分阳光反射回太空，进而起到为地球降温的作用。

  最初的测试被称之为“同温层可控扰动实验”（SCoPEx），将耗资300万美元（图6）。真实的操作中，一颗气球将把大约2 kg碳酸钙（体积相当于一袋面粉）送入新墨西哥沙漠上空 12英里。这会在空中形成一个长0.5英里（约合 805 m），直径 100码（约合 90 m）的管状区域。在接下来的 24 h，气球在推进器的引导下穿过这个人造云，其搭载的传感器将监测尘埃反射阳光的能力及对周围稀薄大气的影响。值得一提的是，该实验被《Nature》杂志预测为2019年十大科学事件之一。

  在平流层飞艇方面，法国的Stratobus项目一直受到广泛关注。Stratobus飞艇体积为 85000 m3，设计用于在 20 km平流层底部高度飞行。该飞艇装配有用 4 个推进电机，驻空一整年。在理想条件下，它能携带 250~450 kg的负载。stratobus飞艇将配有 1000 m3的光伏电池，电池覆盖其外表材料面积的 1/4，并为其 4台电动机、储能系统和有效载荷提供所需的电力。该项目在 2019年取得了两项重要进展。

  1）Thales Alenia 空间公司开发的一种创新性光伏技术：研制一种具有柔性、低成本、重量小于800 g/m2的轻量模块，该模块可提供超过 200 W/m2的功率输出，表面积超过 4 m2。每块光伏电池组件由一系列太阳电池单体组成，而单体电池的额定效率超过 24%。最新的静态机械验证试验表明，封装材料在紫外线和臭氧的作用下具有很高的稳定性，同时热循环后的相对功率损失很低。模块的设计可承受特定工作环境下的热应力和机械应力，以满足这类技术的长常规使用的寿命要求，包括外壳的膨胀和收缩。2）“吊舱移动系统”，它是 stratobus 飞艇的一套特殊子模块（图 7），吊舱内放置有用于飞艇通信和监测等有效载荷，能够使飞艇绕本体纵轴旋转。这套“吊舱移动系统”设计目的是让飞艇的太阳能板自动跟随太阳角方位而运动，以实现最有效地吸收辐射能量。这对于 Stratobus 飞艇操作和能源独立来说是很关键的。这套吊舱已于 2019年在法国南部的LaSeyne 的一处车间中的全尺寸试验台（30m长，10 m高）上进行了试验。这套测试平台能够模拟飞艇飞行中的各项参数以为Stratobus 飞艇首飞做足准备。

  截至 2019年 8月，谷歌气球在平流层高度飞行超过了 100万 h，总飞行里程接近 4000万 km——相当于 100次地月间来回或绕地球飞行1000次。谷歌气球在50000~70000英尺（15.2~21.3km）之间的大气中飞行，利用气泵增加或减少气球中的空气，使气球系统重量增加或减少，以实现在高度上升或下降，直到找到一个有利的气流为止。高度调节操作在气球整个生命周期中重复上千次，实现随风漂流到世界各地（图 8）。实现这种平流层“舞蹈”需要处理大量的数据，包括来自全球数字天气模型的风场预报和来自气球系统本身的实时测量。在4000 万 km 的飞行中收集到的环境信息算得上大气研究中的“罗塞塔石碑”。谷歌气球展示了如何将这两个数据源融合在一起，并对气球应该做什么运动做出有根据的猜测。

  2019年 8月，根据联邦通信委员会（FCC）提交的文件显示，美国军方正在使用实验性高空超压气球在中西部 6个州进行广域监视测试。从南达科他州农村发射了多达 25个无人太阳能气球，在穿越明尼苏达州、爱荷华州、威斯康辛州和密苏里州的部分地区漂流 250英里，然后在伊利诺伊州中部结束。根据航空航天公司Sierra Nevada Corporation提交的文件，这些气球在高达 65000英尺高度的平流层中飞行，旨在“提供持久的监视系统来定位和阻止麻醉品贩运和国土安全威胁”。气球携带高科技雷达，可以全天候24 h同时跟踪多个车辆。

  使用超压气球进行广域监视变成为了此类浮空器的一个新的应用方向，目前能够给大家提供此类浮空器的美国企业包括 RAVEN aerostar 和 world view，前者为谷歌大名鼎鼎的 Loon气球网络计划提供超压气球，也是 DARPAR“可适应性浮空器”（ALTA）计划的气球提供商，后者采用独特的串联式超压气球造型（图 9），在 2019 年 8—9 月也取得了连续飞行32天的优秀成绩（图10）。

  太阳能无人机以太阳能为能量来源，以太阳能和储能电池联合供电的模式为电推进系统和机载设备提供电能，是临近空间低动态飞行器的重要组成部分。

  进入2019年，日本软银公司旗下企业HAPSMobile 与美国航空环境署 围绕“高空平台基站”（HAPS）项目开展了合作，旨在为全球偏远地区提供下一代移动（如 5G）互联通信，其所采用的“鹰30”（HAWK30）太阳能无人机翼展达到了78 m（图11），由10台螺旋桨动力系统驱动，2019年9月完成了首飞，随后在 11月完成了第二次飞行试验，并计划在2020年3月底前开展到达平流层的飞行试验。

  美国波音公司旗下极光飞行科学公司（Aurora）研发的翼展为74 m“Odysseus”（奥德修斯）太阳能无人机（图 12），其设计目标为仅靠太阳提供动力进行相对有效的无限飞行，可带载荷25 kg，原计划在2019年4月进行的首飞被无限期推迟。

  此外，英国的 BAE公司正在研发的“持久高空太阳能飞机 35”（PHASA-35），总重 150 kg（含 15kg 载荷），翼展 35 m（图 13），旨在空中驻留 12 个月，目前已完成了两架标准原型机的生产，正在开展首飞的准备工作。

  从国外太阳能无人机发展的整体情况去看，已在气动、能源、动力、结构、控制等多学科技术方面取得了巨大进步，正在与实际工程需求相结合开展有关演示验证，但是距离大规模工程应用尚需开展逐步优化提升。未来需要继续在高功率重量比的电机技术、高能量比的储能电池技术、高转换效率的太阳能电池板技术、高性能比的复合材料生产制造技术、高可靠性和稳健性的飞行控制技术等方面不断进行技术探索。

  2019年是各国高超声速飞行器系统发展成果卓著的一年，主要大国继续加大投入力度，同时在导弹武器装备研发方面已经取得了显著的成效，明显形成了美、中、俄三国较力的局面。目前任何防空系统在高超声速武器面前将毫无用武之地，这也是中美俄3个军事强国相互角逐的根本原因。

  2019年，为应对持续不断的发展的高超声速威胁，美国防部和各军种正在开发各种“全球快速打击”项目。美国防部2019财年预算将为此拨款约20亿美元；重点高超声速项目的资金也从 2018 财年的2.01 亿美元增加到 2019 财年的 2.78 亿美元；2019年 6 月，针对空射快速响应武器“箭”（项目编号AGM-183A），美国空军利用 B-52轰炸机成功进行了空射快速反应武器原型机的首次系留飞行试验（图14）。

  随后，代理陆军部长RyanMcCarthy表示，美国正在开展将弹道弹头安装到轻型高超声速导弹上的研究。2019年 12月，美空军正式授予洛马公司9.89亿美元AGM-183A高超声速导弹研制合同。

  2019年 10月 31日，普京宣布俄新型护卫舰首舰将配备“锆石”高超声速导弹，速度最快达到 8马赫；11月 26日，俄军宣布两枚携带有“先锋”高超声速打击器的yp-100Hy型洲际弹道导弹已投入战备执勤；11月30日，俄罗斯又在北极测试了“匕首”高超声速导弹（图16），该测试中使用米格-31发射导弹，加速到了 10马赫。“匕首”型导弹本身的射程为 2000 km，通过惯导与末制导，其命中精度可达到1 m水平，可打击整个美韩基地。

  针对高超声速飞行器的发动机，英国反作用发动机有限公司（REL）2019 年 10 月 22 日发布了重要的公告称，公司SABRE 发动机预冷却器（pre-cool type heat exchanger）样机（HTX 测试项目）日前在美国科罗拉州TF2 试验站成功完成了 5 马赫模拟条件下的高温考核试验。该预冷却器是 SABRE发动机的关键组成部分（图 17），负责冷却进入发动机进气道的热空气流，在此次测试中，预冷器在不到 1/20s的时间内成功地冷却了来流（高达 1000°C）的极端热量。这有效地证明了预冷器冷却气流的能力，其速度远超于了传统喷气发动机所能承受的极限。

  法国国防部长弗洛朗丝·帕利表示，法国将研制代号为 V-Max 项目的高超声速武器，并计划于2021年底进行飞行演示验证。V-Max高超声速导弹的飞行速度将达到 5倍声速以上，在项目最初阶段，V-Max将安装在制导导弹或非制导导弹上进行试验。

  2019年 11月，日本防卫省中长期国防科技发展规划文件《R&D构想：致力但不限于实现多域防务力量》。文件提出要发展远程高超声速武器，规划了两条并行开展的技术路线，即助推滑翔导弹和巡航导弹，给出了两条线的技术发展路线图。根据路线 年前后列装采用超燃冲压发动机作为动力的高超声速巡航导弹（其中在 2026 年前后列装早期型高超声速助推滑翔导弹，2032 年前后列装增强型高超声速助推滑翔导弹）；2035年前后再列装性能升级的新一代高超声速巡航导弹。

  从 2019 年的进展可见，作为重要的进攻性武器，高超声速飞行器无与伦比的突防能力已经使得现有的防空体系漏洞百出，攻防天平已然倾斜。各技术强国在全力发展进攻武器的同时，不约而同地开始加快防御系统的论证与研制工作，未来的新型防空武器必然以高超声速弹头的拦截作为重要设计需求，这显然将促进攻防策略与技术探讨研究的新发展。对于高超声速飞行器技术本身而言，助推-滑翔式飞行器将在现有基础上，派生出更多的实用性改良型号；而吸气式高超声速飞行器会得到进一步重视，在促进军事技术进步的同时，非常有可能在未来的民用领域大放异彩。

  同样作为致力于太空旅游的商业航天公司，蓝色起源和维珍银河采用了不同的亚轨道飞行器方案：前者为单级火箭助推分离的方式，后者为空中发射太空船的方式。两者在 2019年都有不同程度的进展，但千呼万唤的第一次太空旅游商业飞行依然没有到来。

  2019年 12月，蓝色起源创造了一项新的纪录：同一枚火箭成功实现第6次发射及回收（图18）；第5次重复使用（单从复用次数来看，无疑这是全球航天界的新高度）；无人太空舱第6次测试飞行、着陆。

  这次发射飞行高度为 104km，仍属于亚轨道测试飞行，依然是新谢泼德火箭加载人版太空舱的配置，这套箭船系统的核心目的，为了亚轨道商业飞行——打造蓝色起源太空之旅，让太空旅客可以体感到 5 min的失重状态。载人太空舱设计搭载 6人，自 2017 年 12 月 12 日首次试飞以来，长期处于测试阶段，现已总计试飞过 6次。箭船系统多次复用能力，包括回收、翻新能力及所有发射间隔最小程度的翻新技术。

  英国维珍银河公司方面，通过与Social Capital Hedosophi（SCH）公司的合并，于美国当地时间10月 28日在纽约证交所借壳上市，成为了全球首家、也是唯一一家公开上市的太空商业飞行公司。公司 CEO 怀特赛兹表示，维珍银河眼下正在完成首架实用型“太空船二号”飞行器的“最后一批工作”。名为“VSS团结号”的这架飞行器年底从加州莫哈韦航空航天港转往新墨西哥州美洲航天港，以进行最后一系列试飞，拟在 2020 年年中启动商业运营。

  维珍银河已得到了 600 多位客户的订单。怀特赛兹表示，公司正准备恢复已暂停了几年的售票工作，自公司 2018年 12月首次飞到太空边缘以来，已有超过 3700人“表达了买票的愿望”。他说，公司眼下正在最终敲定新的定价策略。

  回顾 2019 年，高超声速飞行器无疑是临近空间领域最亮丽的风景，多款型号宣布列装部队，对临近空间制空权的争夺已确定进入白热化阶段；高空气球这款历史悠远长久的临近空间浮空器，依然是目前在临近空间长期可靠飞行的唯一选择，在科学研究领域发挥着难以替代的作用，它的改进款——超压气球在民用领域的应用得到慢慢的变多的重视，平流层飞艇和临近空间太阳能无人机作为高空“伪”卫星中的双子星，优缺点均异常鲜明，进展速度低于预期；商业太空旅游公司的上市，让人们再次对亚轨道飞行器的首次商业太空旅游飞行充满了期待。

  基金项目：国家自然科学基金项目（61733017，91638301）；中国科学院战略性先导专项（XDA17020203）

  作者简介：黄宛宁，中国科学院空天信息创新研究院 ，高级工程师，研究方向为临近空间飞行器测控技术；李智斌（通信作者），山东科技大学电气与自动化工程学院 ，教授，研究方向为临近空间飞行器等智能无人系统动力学、容错控制及应用。

  注：本文发表于《科技导报》2020 年第1期，敬请关注。 （责任编辑 刘志远）

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