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                                              《環球飛行》2014年第四期

                                               

                                              這一次,中國走在世界之前

                                               ——珠海NCA“臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室獲得成功

                                              ◇袁新立

                                              前言:

                                                近百年來,雖然世界各國沒有停止過以各種方法對臨近空間的探索,但一直處于不瘟不火的狀態,然而最近十幾年,臨近空間經濟(以下簡稱“臨空經濟”)活動日益成為一個世界性的熱門話題。由于對臨近空間潛在的巨大商業、政治和軍事利益有了更為深刻的認識,包括美國、俄羅斯、英國、德國、日本等在內的發達國家都加大了對臨近空間進行探索的力度和頻率,紛紛開展各類臨近空間可操縱浮空器的研制。不過,由于受到基礎理論、技術方法等方面的制約,上述國家的多項臨近空間可操縱浮空飛行器(或稱“平流層飛艇”)開發計劃要么阻力重重停滯不前,要么徹底偃旗息鼓。與眾不同的是,在這個過程中,中國科學家大膽創新、默默耕耘,從探索和重建基礎科學理論入手,在臨近空間可操縱浮空器的構造、材料、控制、信息獲取和通信方法等方面,開辟了一條全新的可行之路,使中國在該領域的研究與創造開始走在世界的前沿。

                                               

                                              臨近空間,如何破其門而入?

                                                關于臨近空間的定義,目前各國的共識是指海拔高度在20~100千米的空域范圍。由于這個空域的空氣過于稀薄,以致大多數飛機都無法在該空域飛行。而相對于衛星來說該空域的萬有引力又顯得過大,衛星無法在這個空域某一高度的軌道上環繞地球運行。因此,目前還沒有任何人造的可操縱飛行器能在該空域長航時飛行或定點駐留。

                                                最近十幾年里,以美國、俄羅斯、英國、德國、日本等發達國家為代表的許多國家都加快了對臨近空間進行探索利用的步伐,臨空經濟如今已成為世界范圍內的一個熱門話題。之所以出現這種現象,是因為各國越來越透徹地認識到,能否充分開發和利用臨近空間,關乎國家的科技竟爭力、經濟、政治、國防安全,和一個國家未來在空天一體化發展進程中處于什么樣的位置。

                                               

                                              飛行前準備

                                               

                                                從經濟上來講,臨近空間開發利用的目的之一,是通過布置在該空域的臨近空間可操縱浮空器(Near Space Controllable Aerostat)來替代亞軌道衛星部分功能,完成各種以前只能靠衛星才能完成的工作,比如農作物產量估計、天氣預報、惡劣天氣預警、大地觀測、通信中繼等,從而大大降低業務成本和提高綜合效益。而從國防安全方面來講,臨近空間可操縱浮空器能夠憑借高度上的優勢,用于早期預警、戰時通信保障或攻擊平臺等。尤其重要的是,臨近空間可操縱浮空器可作為空、天飛行器之間的協作中繼,彌補空天一體化的作業縫隙。由此不難看出,臨近空間對于人類未來的發展有著非常重大的意義,也必將是人類探索和利用天空的下一站。

                                                不過,要想開發和利用臨近空間,就必須全面地了解和認識臨近空間自然環境方方面面的細節,其前提就是人類要能夠往返和長期駐留在臨近空間,這是必須要邁出的第一步。然而也就是這第一步,讓許多國家絞盡腦汁仍不得其門而入,這也是為什么雖然前后經歷了近一個世紀,人類對臨近空間的探索利用的成效仍然微乎其微的根本原因。

                                              “臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室飛向茫茫夜空。

                                               

                                              “臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室的便攜地面測控站

                                               

                                                要從地面往返臨近空間并長期駐留在這個空域,各類難于有效操縱的高空氣球顯然不能擔此大任,必須要有能夠同時適應對流層和平流層這兩種顯著不同大氣環境的臨近空間可操縱浮空器。關于臨近空間可操縱浮空器的研究,美國仰仗其雄厚的航空航天科技實力和財力,先后提出并實施了“高空哨兵(HiSentinel)”、“高空長航時飛艇驗證艇(HALE-D)”等多個臨近空間可操縱浮空器研制項目。然而時至今日,這些耗資巨大、費盡周折的項目仍無一獲得成功。

                                                2012年10月美國《航宇日報》報道,由于“已困擾研究人員數十年的高空飛艇仍然沒有明確可行的方法來解決諸多技術困難”,因此美國研制多個平流層飛艇項目都陸續中止了。日本對其“同溫層平臺”臨近空間可操縱浮空器項目投入了巨資,而實驗情況與美國項目也大同小異。世界各國科技人員在探索臨近空間可操縱浮空器過程中付出的努力固然令人欽佩,但在航空航天技術已十分發達的今天,人類仍然未能創造出具有實用意義的臨近空間可操縱浮空器,卻是不爭的事實。

                                               

                                              中國科學家的獨特奉獻

                                                在諸多發達國家紛紛開展臨近空間可操縱浮空器的同時,一些中國的科學家們并非只在觀望或者跟風,而是不墨守成規,尋找他國項目停滯不前甚至以失敗告終的深層原因,從探索和建立與眾不同的基礎科學理論入手,大膽創新另辟蹊徑。

                                                過往各類平流層飛艇方案難以化解或繞開的結構矛盾,大多是因為需要對抗但又無法對抗大氣壓力而引發。2000年,珠海新概念航空航天器有限公司[New Concept Aircraft (Zhuhai) Co., Ltd. 以下簡稱“珠海NCA”]的李曉陽博士,在多年研究試驗的基礎上提出了變體空天飛艇的創新科學理論及其實現技術,并于2005年先后獲得中國和美國授予的變體空天飛艇(Transformable Airship)發明專利權。李曉陽發現,在人類現階段科技能力條件下,巧妙利用而不是對抗大氣壓力,才是能否真正實現臨近空間可操縱浮空器的關鍵所在,與眾不同的變體飛艇正是沿著這個思路而創造的。

                                              科技人員監測微型實驗室在高空運動和工作的實時狀態

                                               

                                                與歷史上通過改變重量來調節凈靜升力的各類硬式、軟式和半硬式飛艇基本原理不同,李曉陽的變體飛艇是通過自適或可控改變其容積來調節凈靜升力,這個基本原理上的全新創造,能夠化解種種相互制約、阻礙臨近空間可操縱浮空器進程的技術難點。簡單來說,變體飛艇是通過現有科技條件下可行的技術方法,借助大氣壓力使飛艇能夠實現自適或可控的數十倍容積變化,利用而不是對抗大氣壓力,改變其凈靜升力而改變其垂直向的運動,變體過程中能保持可操縱性和動升力,從而實現從地面到臨近空間的三維全向可控飛行或定點懸浮。

                                              地面站顯示近太空微型實驗室運動和工作的實時圖像與各種科研數據

                                               

                                                變體飛艇突破了臨近空間可操縱浮空器必須面對的多項技術瓶頸,例如:變體飛艇利用了大氣壓強這個取之不盡的能源,巧妙的變體結構能夠根據各個高度的大氣壓力,利用微壓差致動來自動增大或縮小艇體體積而浮力相對不變,其變容積艇殼和輕質氣體倉都無需承受壓力,因此其合成艇體的總面密度極低。業內人士知道,對于作業環境周邊空氣密度極低的臨近空間可操縱浮空器來說,艇體總面密度的大小是決定成敗的關鍵技術指標之一?;?ldquo;改變重量來調節凈靜升力”飛艇原理的各類臨近空間可操縱浮空器,因其艇體需要保形和承受各高度的大氣壓力而必須采用高密度的嚢體材料,加大嚢體材料密度又因自重增大而必須加大容積......如此惡性循環。這種狀況,正是導致上述各國臨近空間可操縱浮空器項目中途而廢的關鍵原因之一。

                                                針對不同的應用目的和應用范圍,變體式空天飛艇分為徑向變體和縱向變體兩大類型??梢哉f,變體式空天飛艇從根本上改變了飛艇的基本原理、構造和技術方法,開辟了人類征服臨近空間的一條全新道路。

                                                變體式空天飛艇的具體研制過程是十分復雜的系統工程,由于沒有在先技術可以借鑒,因此每一個細節都需要創造和反復研究試驗,直到得出最佳方案。巨大的工作量難不倒珠海NCA的科技人員,但這項很“燒錢”的工作卻經常令大家發愁。

                                                與美、日平流層飛艇單個項目有數億甚至數十億美元的國家經費支持不同,李曉陽研制變體飛艇經費的主要來源是自籌,通過辦企業,創造和制造各種航空航天科普科教器材銷往世界各地來籌集科研經費。李曉陽經常不得不放下手頭的科研,轉戰生產制造和國際商務,足跡遍布世界。這位北京航空航天大學飛機設計與應用力學專業94屆工學博士告訴筆者:“我和我的團隊用這種模式來支撐基礎科學研究和應用技創新,已經整整十八年,這種模式的唯一遺憾是會拖延科研進程。”“我們并非要爭什么‘世界第一’,既然我們選擇了以科技工作為畢生事業,應當做一些有所創造和有利于人類科技進步的事,在平凡的勞動中找到快樂,才是支持我們不斷進取的動力源泉。”李曉陽說。

                                                2012年,一個無法繞開的技術難題又擺到了李曉陽的面前。正是這個難題,使得本文題述的“臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室得以應運而生。

                                              商業衛星全球實時追蹤定位“臨近空間拓荒者”

                                              地面站實時顯示測試物品在高空的測試情況與數據

                                               

                                              “臨近空間拓荒者”的征空之旅

                                                臨近空間尤其是平流層上部的近太空高度空氣極為稀薄,氣壓和溫度很低,空間環境其它條件與地面也有很大差別。同時,從地面到臨近空間的往返過程中,變體飛艇要經受對流層多變氣象和邊界層高速氣流等復雜環境的考驗,任何一點疏忽大意都有可能導致難以設想的嚴重后果。因此,雖然珠海NCA變體飛艇的工程材料、飛控裝置、艇載任務和通信設備、能源和推進系統等等,在設計制造過程中都經過模擬臨近空間實驗儀器的嚴格測試和外場自然環境測試,但仍然不能確保變體飛艇往返臨近空間和駐空運行期間整個系統是充分可靠的。這是一個必須解決的問題,不僅影響科學實驗的成敗,更直接關系到公眾安全。變體飛艇直接往返臨近空間存在可靠性風險,而不上去又無法驗證系統的可靠性,這幾乎成了一個“先有雞還是先有蛋”的死結。

                                                李曉陽想到一個解決問題的好辦法: 先創造一種由專用浮空器攜帶的微小型飛行平臺裝置,把變體飛艇的工程材料、艇載儀器和能源與推進系統等設備帶上臨近空間,在自然環境中進行實地綜合測試以驗證它們的可靠性,然后再把這些裝置與變體飛艇主體集成。珠海NCA給這種獨特的科研裝備命名為“臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室。

                                              臨近空間拓荒者飛行軌跡示例

                                               

                                                以往能承載各種探空儀器設備,并能與地面站進行雙向通信的平流層高空氣球,通常需要有數萬甚至數百萬立方米的巨大體積,還需要復雜的發送升空設備以及地面雷達測控站等,通過遙控排放氫氣或氦氣、拋棄球載重物(例如水和沙)來調節升空高度,利用大氣環流來回兜圈以留空一段時間。這類平流層高空氣球系統造價昂貴,發送與回收操作復雜,使用成本高且受季節和空間氣流環境的限制。因此,盡管這種高空氣球已經有了數十年的歷史,至今仍然只有少數發達國家在開展實驗性應用,難以普及。世界各地每天發放的氣象氣球和小型探空儀成本不高,但這些氣象氣球的功能有限,需要地面雷達站等復雜裝置來配合使用,而且這些氣象氣球一般都不能回收再利用。近年世界各地流行用小型氣象氣球搭載攝影器材升上高空拍攝地球美景,這類方法雖然易操作和成本較低,但很難通過遠程雙向通信來獲取實時高清視頻圖像和照片等信息,只能等待氣球破裂后器材傘降落回地面,再借助GPS或無線電定向追蹤技術尋回器材,讀取圖片視頻等資料。

                                                珠海NCA的“臨近空間拓荒者”并非一般意義上的高空探測氣球,而是把具有凈靜升力調節系統和傘降速率控制器的小型高空氣球作為載具,搭載功能全面的微小型綜合實驗室,以極低成本在臨近空間自然環境開展科學實驗的創新方法。

                                                克服了難以數計的困難,經過一年多的努力,珠海NCA科技團隊終于完成了“臨近空間拓荒者”1號和2號兩組近太空微型實驗室的所有研制工作。經有關空管部門批準,2013年9月20日深夜,總質量2.1千克、搭載著各種實驗材料和待測儀器設備的“臨近空間拓荒者”1號,從中國內蒙古的騰格里沙漠起飛。它先是上升到平流層下部的強氣流區,借助氣流以每秒55米的最大速度飄飛了近百公里,再上升到海拔28027米(約92000英尺)的平流層上部,沿途探測夜間大氣環境,實時將各種數據下傳地面工作站。完成實驗后,可調速降落傘帶著實驗室,根據氣流狀況以不同速度穿越大氣各層安全返回地面,由在預定著陸點等候的實驗人員回收。9月21日深夜,總質量1.86千克、也搭載著各種實驗材料和待測儀器設備的“臨近空間拓荒者”2號從同一地點升空,用相同的方法先是高速水平測試飛行一段距離,然后上升到海拔38130米(約125000英尺)的近太空高度,完成實驗后也安全返回地面回收。

                                                “臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室專用的平流層浮空器離地時的容積僅幾個立方米,無需特別的場地,一個人就能發送升空。實驗室系統能夠連續測量地面到近太空整個過程的周邊大氣環境參數(例如風向、風速、溫度、濕度、氣壓、熱度、光照度、臭氧濃度等等),和自身三維運動的實時狀態,并能夠從多個角度拍攝高清圖像。系統中的微型圖傳數傳裝置具備足夠的帶寬,能把各種測量參數和高清視頻圖像同步實時下傳地面站。在“臨近空間拓荒者”1號、2號往返臨近空間的飛行過程中,珠海NCA的一組科研人員在地面站全程觀測和記錄平臺下傳的大氣環境探測數據、飛行參數、航跡與三維實時坐標、多路高清視頻和圖顯自動增穩姿態等;另一組科研人員通過視頻觀測,直接對高空上的實驗材料進行遙控測試與記錄;遠在中國南方的第三組科研人員則通過臨時租用的商業衛星信道,在線監測與記錄“臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室持續發送的數據信息,全程準確追蹤其所在的實時位置。

                                                “夜間沒有太陽直接輻射,各高度不同時段大氣環境的溫差、氣壓變化等種種細節與白天不同。因此,掌握夜空環境對近太空飛行物體運動狀態的影響,對將來跨晝夜的長航時定點駐空或飛行很有必要。”李曉陽博士說。

                                                “臨近空間拓荒者”整個空中系統的總質量約2千克,其中各種功能集于一體、微小型和低功耗的任務設備,質量僅約0.5千克。集成任務設備能夠長航時在空中持續工作,在電磁環境和通視狀況良好的條件下,地空雙向通信距離可達數百千米。如此微小、低耗卻功能多樣的臨近空間實用設備,其工程方法和實現技術在世界上沒有先例。

                                                “臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室配置了水平向和滾轉自動增穩裝置,由IMU和電動高空螺旋槳推進器和阻尼舵、定向標等組成。這些裝置顯著增加了“臨近空間拓荒者”在空中運動時的穩定性??罩邢到y的實驗艙和露天平臺能夠搭載約0.5千克的工程材料和儀器設備。重量僅幾千克的便攜式地面站功能也很強大,自動追蹤空中系統,接收、顯示、處理和記錄空中系統下傳的所有信息,觀察和遙控操作工程材料、儀器設備在高空的測試并記錄測試數據。

                                                “臨近空間拓荒者”1號、2號圓滿完成的征空之旅表明,這種新方法可以使近太空探測與工程試驗的成本顯著降低且簡單易行,在近太空科研與經濟活動中具有開創性的意義。

                                               

                                              “臨近空間拓荒者”亮點紛呈前景廣闊

                                                現有用于臨近空間探索的浮空器,幾乎都是體積動輒數萬甚至數百萬立方米的“巨無霸”,相比之下顯得極其微小的“臨近空間拓荒者”,作業能力卻不惶多讓。隨著高度的增加,空氣密度也在下降。在低緯度地區的地面上,飛艇或浮空器1立方米的容積大約可承載1千克的載荷,而在臨近空間高度,例如海拔3萬米的平流層中上部,承載1千克載荷就需要近100立方米的飛艇或浮空器容積。這就出現了一個常見的問題:氣球或飛艇雖然上天了,但已經沒有多少載荷能力了。對此,李曉陽有自己的看法:“這種情況下解決問題只有兩種可能,一是盡可能地將載具做大,提高其載荷能力,但是載具做大會帶來很多相關聯的一系列問題,包括材料、強度、操作和養護等等。二是盡可能地將載具和各種等效載荷做小,當然,將載具和等效載荷做小的難度更大、面對的問題更多,但我們認為這是正確的發展方向。”

                                                無論是系統外表還是試驗過程,“臨近空間拓荒者”1號和2號看起來都沒有太大的區別,而事實上兩者分別驗證了兩種不同的信息傳輸與收集方法。“增大地-空之間的雙向通信一般方法是主動發送,靠發射者本身的強大功率,但要保證大的功率就需要更大的體積和重量、功耗等等。我們采用了與眾不同的全新技術,利用“光與電磁波具有同一性”和“光群場效應”原理來增大通信距離,讓接收者本身就具有很強的接收能力和信號分辨率,能捕捉和處理很微弱的數據信號。”李曉陽告訴筆者。

                                                近年來,近太空旅游和高空聯網通信等應用浮空器技術的創新科技與經濟活動有升溫趨勢。例如全球互聯網巨頭美國Google公司目前正在大力推進的“氣球網絡計劃”,這個聽起來有些瘋狂的項目是計劃在大氣平流層放飛大量高空氣球來組成無線網絡,為更多尚未聯網或網絡條件不穩定的地區提供廉價的無線互聯網服務,填補網絡服務的盲區,或幫助受災斷網地區恢復網絡。然而,這些項目都面臨如何實現氣球在空中的自動穩定,和對水平向位移的有效控制等關鍵難題。

                                                所以,“臨近空間拓荒者”將有助于進一步了解近太空,并為需要進行高空實驗的材料、動力與能源以及儀器設備等,提供一種低成本、易操作并且可以重復應用的平臺。李曉陽告訴筆者,“臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室的研制與應用飛行,還涉及諸多前沿技術的集成、優化和設備微小型化工程,其成果未來在多個領域都可能有廣闊的應用前景,例如在森林和農田水利資源調查、氣象觀測等方面發揮作用。將來還有可能用于地震、臺風等突發災害地區的緊急通信中繼和對地觀測站,或作為海洋上空等無法架設通信網絡地帶的空中通信平臺等等。

                                                “臨近空間拓荒者”技術方法應用的另一個重要發展方向,是地面場站以相對很低的成本對空中飛行器艙內外狀態進行全程實時圖像監測,獲取飛行器三維運動的實時參數,全程精確定位飛行器的位置所在。這顯然會有利于迅速和可靠地判定飛行器發生失聯、失蹤或墜毀等意外的原因,并迅速展開有效的救援,以減少空難損失。

                                                在過去的幾個月里,馬航MH370航班失聯事件震驚了全世界,同時也暴露出目前國際上航空運輸管理技術方法的巨大漏洞。長期以來,國際民航組織內部一直都在討論提升飛機的實時監控技術與頻率,但是由于技術和成本等因素,目前各航空公司向地面傳輸監控數據的頻率只有30分鐘/次,對于高速飛行的民航客機而言,兩次數據之間的位置相差何止數百千米。所以,民航業內專家們也開始探討如何采用新技術方法來提高航空運輸安全,包括飛機每6海里要報告一次區位信息,相當于監控數據的傳輸頻率提高到了1.3分/次。而從上文中我們可知,“臨近空間拓荒者”不僅能夠實現遠程高清實時圖傳,還能多模式全程準確追蹤定位飛行器。如果將其技術成果應用到客機上,就可以實時掌握客艙內部情況以及客機自身的工作情況,客機失聯、失蹤的事件將會顯著減少。

                                                雖然“臨近空間拓荒者”1號和2號的試驗取得了成功,但珠海NCA科技團隊還有更大的目標。“本次飛行我們測試兩個系統的基本工作能力,和它們在三維空間運動時的自動穩定情況,以及準確可靠回收它們的方法,因此只是讓它們從地面到近太空飛一個來回。下一次,將測試它們長時間定點懸浮在高空某個指定位置的能力。當然,定點懸浮需要用到另一種全新的技術方法。”李曉陽博士信心滿滿地告訴筆者。

                                               

                                              后記

                                                在和李曉陽交流的過程中,筆者突然想到了當下最火的特斯拉電動汽車兼SpaceX火箭發射公司老板伊龍·馬斯克,覺得二者有很多相似的地方。在別人看來,李曉陽和他的NCA屬于民營企業,而且只是小企業而非航空航天領域科研的正規軍。然而就是這樣的一家小企業,卻屢屢在前沿物理、新能源利用、仿生科技與創新飛行方法等方面不斷有根本性的突破,取得大量能夠促進相關領域技術進步的科技專利,迸發著無窮的創新能量。而美國當前力推的科技創新體制精髓也在于此,即前端利用大量中小公司尋找方向和試錯,后端再由大公司持續推進,實現規?;?,中間利用資本作為連接的社會化碎片式創新模式。這種模式極大地提高了系統的創新成功率,完全顛覆了之前由一個大公司主導的風險巨大的項目投資。而這種創新模式,未來在諸如新材料、信息技術、下一代互聯網技術、生物科學等新型領域將越來越顯示出其威力。

                                                中國需要更多的李曉陽。

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