序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的航空航天發(fā)展方向樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。

第1篇

臨近空間，如何破其門而入？

關(guān)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(shù)飛機(jī)都無法在該空域飛行。而相對于衛(wèi)星來說該空域的萬有引力又顯得過大，衛(wèi)星無法在這個空域某一高度的軌道上環(huán)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(fā)達(dá)國家為代表的許多國家都加快了對臨近空間進(jìn)行探索利用的步伐，臨空經(jīng)濟(jì)如今已成為世界范圍內(nèi)的一個熱門話題。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因為各國越來越透徹地認(rèn)識到，能否充分開發(fā)和利用臨近空間，關(guān)乎國家的科技竟?fàn)幜?、?jīng)濟(jì)、政治、國防安全，和一個國家未來在空天一體化發(fā)展進(jìn)程中處于什么樣的位置。

從經(jīng)濟(jì)上來講，臨近空間開發(fā)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(wèi)星部分功能，完成各種以前只能靠衛(wèi)星才能完成的工作，比如農(nóng)作物產(chǎn)量估計、天氣預(yù)報、惡劣天氣預(yù)警、大地觀測、通信中繼等，從而大大降低業(yè)務(wù)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(yōu)勢，用于早期預(yù)警、戰(zhàn)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(xié)作中繼，彌補(bǔ)空天一體化的作業(yè)縫隙。由此不難看出，臨近空間對于人類未來的發(fā)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(fā)和利用臨近空間，就必須全面地了解和認(rèn)識臨近空間自然環(huán)境方方面面的細(xì)節(jié)，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(jīng)歷了近一個世紀(jì)，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。

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(dān)此大任，必須要有能夠同時適應(yīng)對流層和平流層這兩種顯著不同大氣環(huán)境的臨近空間可操縱浮空器。關(guān)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(shù)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(shù)困難”，因此美國研制多個平流層飛艇項目都陸續(xù)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(shù)已十分發(fā)達(dá)的今天，人類仍然未能創(chuàng)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(xué)家的獨特奉獻(xiàn)

在諸多發(fā)達(dá)國家紛紛開展臨近空間可操縱浮空器研究的同時，一些中國的科學(xué)家們并非只在觀望或者跟風(fēng)，而是不墨守成規(guī)，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(chǔ)科學(xué)理論入手，大膽創(chuàng)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(jié)構(gòu)矛盾，大多是因為需要對抗但又無法對抗大氣壓力而引發(fā)。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(chǔ)上提出了變體空天飛艇的創(chuàng)新科學(xué)理論及其實現(xiàn)技術(shù)，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(fā)明專利權(quán)。李曉陽發(fā)現(xiàn)，在人類現(xiàn)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(xiàn)臨近空間可操縱浮空器的關(guān)鍵所在，與眾不同的變體飛艇正是沿著這個思路而創(chuàng)造的。

與歷史上通過改變重量來調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)凈靜升力，這個基本原理上的全新創(chuàng)造，能夠化解種種相互制約、阻礙臨近空間可操縱浮空器進(jìn)程的技術(shù)難點。簡單來說，變體飛艇是通過現(xiàn)有科技條件下可行的技術(shù)方法，借助大氣壓力使飛艇能夠?qū)崿F(xiàn)自適或可控的數(shù)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(xiàn)從地面到臨近空間的三維全向可控飛行或定點懸浮。

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(shù)瓶頸，例如：變體飛艇利用了大氣壓強(qiáng)這個取之不盡的能源，巧妙的變體結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)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?nèi)莘e艇殼和輕質(zhì)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(yè)內(nèi)人士知道，對于作業(yè)環(huán)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(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一?；凇案淖冎亓縼碚{(diào)節(jié)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體材料，加大體材料密度又因自重增大而必須加大容積……如此惡性循環(huán)。這種狀況，正是導(dǎo)致上述各國臨近空間可操縱浮空器項目中途而廢的關(guān)鍵原因之一。

針對不同的應(yīng)用目的和應(yīng)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(gòu)造和技術(shù)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(fù)雜的系統(tǒng)工程，由于沒有在先技術(shù)可以借鑒，因此每一個細(xì)節(jié)都需要創(chuàng)造和反復(fù)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(jīng)常令大家發(fā)愁。

與美、日平流層飛艇單個項目有數(shù)億甚至數(shù)十億美元的國家經(jīng)費支持不同，李曉陽研制變體飛艇經(jīng)費的主要來源是自籌，通過辦企業(yè)，創(chuàng)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(jīng)費。李曉陽經(jīng)常不得不放下手頭的科研，轉(zhuǎn)戰(zhàn)生產(chǎn)制造和國際商務(wù)，足跡遍布世界。這位北京航空航天大學(xué)飛機(jī)設(shè)計與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)94屆工學(xué)博士告訴記者：“我和我的團(tuán)隊用這種模式來支撐基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用技創(chuàng)新，已經(jīng)整整十八年，這種模式的唯一遺憾是會拖延科研進(jìn)程?！薄拔覀儾⒎且獱幨裁础澜绲谝弧?，既然我們選擇了以科技工作為畢生事業(yè)，應(yīng)當(dāng)做一些有所創(chuàng)造和有利于人類科技進(jìn)步的事，在平凡的勞動中找到快樂，才是支持我們不斷進(jìn)取的動力源泉。”李曉陽說。

2012年，一個無法繞開的技術(shù)難題又?jǐn)[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(yīng)運而生。

“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(huán)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(jīng)受對流層多變氣象和邊界層高速氣流等復(fù)雜環(huán)境的考驗，任何一點疏忽大意都有可能導(dǎo)致難以設(shè)想的嚴(yán)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(wù)和通信設(shè)備、能源和推進(jìn)系統(tǒng)等等，在設(shè)計制造過程中都經(jīng)過模擬臨近空間實驗儀器的嚴(yán)格測試和外場自然環(huán)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(tǒng)是充分可靠的。這是一個必須解決的問題，不僅影響科學(xué)實驗的成敗，更直接關(guān)系到公眾安全。變體飛艇直接往返臨近空間存在可靠性風(fēng)險，而不上去又無法驗證系統(tǒng)的可靠性，這幾乎成了一個“先有雞還是先有蛋”的死結(jié)。

李曉陽想到一個解決問題的好辦法：先創(chuàng)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(jìn)系統(tǒng)等設(shè)備帶上臨近空間，在自然環(huán)境中進(jìn)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。

以往能承載各種探空儀器設(shè)備，并能與地面站進(jìn)行雙向通信的平流層高空氣球，通常需要有數(shù)萬甚至數(shù)百萬立方米的巨大體積，還需要復(fù)雜的發(fā)送升空設(shè)備以及地面雷達(dá)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(diào)節(jié)升空高度，利用大氣環(huán)流來回兜圈以留空一段時間。這類平流層高空氣球系統(tǒng)造價昂貴，發(fā)送與回收操作復(fù)雜，使用成本高且受季節(jié)和空間氣流環(huán)境的限制。因此，盡管這種高空氣球已經(jīng)有了數(shù)十年的歷史，至今仍然只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家在開展實驗性應(yīng)用，難以普及。世界各地每天發(fā)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(dá)站等復(fù)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(yuǎn)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(shù)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(diào)節(jié)系統(tǒng)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(huán)境開展科學(xué)實驗的創(chuàng)新方法。

克服了難以數(shù)計的困難，經(jīng)過一年多的努力，珠海NCA科技團(tuán)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(jīng)有關(guān)空管部門批準(zhǔn)，2013年9月20日深夜，總質(zhì)量2.1千克、搭載著各種實驗材料和待測儀器設(shè)備的“臨近空間拓荒者”1號，從中國內(nèi)蒙古的騰格里沙漠起飛。它先是上升到平流層下部的強(qiáng)氣流區(qū)，借助氣流以每秒55米的最大速度飄飛了近百千米，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(huán)境，實時將各種數(shù)據(jù)下傳地面工作站。完成實驗后，可調(diào)速降落傘帶著實驗室，根據(jù)氣流狀況以不同速度穿越大氣各層安全返回地面，由在預(yù)定著陸點等候的實驗人員回收。9月21日深夜，總質(zhì)量1.86千克、也搭載著各種實驗材料和待測儀器設(shè)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(fā)送升空。實驗室系統(tǒng)能夠連續(xù)測量地面到近太空整個過程的周邊大氣環(huán)境參數(shù)（如風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、熱度、光照度、臭氧濃度等），和自身三維運動的實時狀態(tài)，并能夠從多個角度拍攝高清圖像。系統(tǒng)中的微型圖傳數(shù)傳裝置具備足夠的帶寬，能把各種測量參數(shù)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(huán)境探測數(shù)據(jù)、飛行參數(shù)、航跡與三維實時坐標(biāo)、多路高清視頻和圖顯自動增穩(wěn)姿態(tài)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(jìn)行遙控測試與記錄；遠(yuǎn)在中國南方的第三組科研人員則通過臨時租用的商業(yè)衛(wèi)星信道，在線監(jiān)測與記錄“臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室持續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，全程準(zhǔn)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(huán)境的溫差、氣壓變化等種種細(xì)節(jié)與白天不同。因此，掌握夜空環(huán)境對近太空飛行物體運動狀態(tài)的影響，對將來跨晝夜的長航時定點駐空或飛行很有必要。”李曉陽說。

“臨近空間拓荒者”整個空中系統(tǒng)的總質(zhì)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(wù)設(shè)備，質(zhì)量僅約0.5千克。集成任務(wù)設(shè)備能夠長航時在空中持續(xù)工作，在電磁環(huán)境和通視狀況良好的條件下，地空雙向通信距離可達(dá)數(shù)百千米。如此微小、低耗卻功能多樣的臨近空間實用設(shè)備，其工程方法和實現(xiàn)技術(shù)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(zhuǎn)自動增穩(wěn)裝置，由IMU和電動高空螺旋槳推進(jìn)器和阻尼舵、定向標(biāo)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(wěn)定性?？罩邢到y(tǒng)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(shè)備。重量僅幾千克的便攜式地面站功能也很強(qiáng)大，自動追蹤空中系統(tǒng)，接收、顯示、處理和記錄空中系統(tǒng)下傳的所有信息，觀察和遙控操作工程材料、儀器設(shè)備在高空的測試并記錄測試數(shù)據(jù)。

“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(jīng)濟(jì)活動中具有開創(chuàng)性的意義。

“臨近空間拓荒者”亮點紛呈前景廣闊

現(xiàn)有用于臨近空間探索的浮空器，幾乎都是體積動輒數(shù)萬甚至數(shù)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(yè)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(qū)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(xiàn)了一個常見的問題：氣球或飛艇雖然上天了，但已經(jīng)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(guān)聯(lián)的一系列問題，包括材料、強(qiáng)度、操作和養(yǎng)護(hù)等等。二是盡可能地將載具和各種等效載荷做小，當(dāng)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(rèn)為這是正確的發(fā)展方向。”

無論是系統(tǒng)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(qū)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(fā)送，靠發(fā)射者本身的強(qiáng)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(shù)，利用“光與電磁波具有同一性”和“光群場效應(yīng)”原理來增大通信距離，讓接收者本身就具有很強(qiáng)的接收能力和信號分辨率，能捕捉和處理很微弱的數(shù)據(jù)信號?！崩顣躁柛嬖V記者。

近年來，近太空旅游和高空聯(lián)網(wǎng)通信等應(yīng)用浮空器技術(shù)的創(chuàng)新科技與經(jīng)濟(jì)活動有升溫趨勢。例如全球互聯(lián)網(wǎng)巨頭美國Google公司目前正在大力推進(jìn)的“氣球網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，為更多尚未聯(lián)網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)條件不穩(wěn)定的地區(qū)提供廉價的無線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，填補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的盲區(qū)，或幫助受災(zāi)斷網(wǎng)地區(qū)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。然而，這些項目都面臨如何實現(xiàn)氣球在空中的自動穩(wěn)定，和對水平向位移的有效控制等關(guān)鍵難題。

所以，“臨近空間拓荒者”將有助于進(jìn)一步了解近太空，并為需要進(jìn)行高空實驗的材料、動力與能源以及儀器設(shè)備等，提供一種低成本、易操作并且可以重復(fù)應(yīng)用的平臺。李曉陽告訴記者，“臨近空間拓荒者”近太空微型實驗室的研制與應(yīng)用飛行，還涉及諸多前沿技術(shù)的集成、優(yōu)化和設(shè)備微小型化工程，其成果未來在多個領(lǐng)域都可能有廣闊的應(yīng)用前景，例如在森林和農(nóng)田水利資源調(diào)查、氣象觀測等方面發(fā)揮作用。將來還有可能用于地震、臺風(fēng)等突發(fā)災(zāi)害地區(qū)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(shè)通信網(wǎng)絡(luò)地帶的空中通信平臺等等。

“臨近空間拓荒者”技術(shù)方法應(yīng)用的另一個重要發(fā)展方向，是地面場站以相對很低的成本對空中飛行器艙內(nèi)外狀態(tài)進(jìn)行全程實時圖像監(jiān)測，獲取飛行器三維運動的實時參數(shù)，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(fā)生失聯(lián)、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(lián)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(shù)方法的巨大漏洞。長期以來，國際民航組織內(nèi)部一直都在討論提升飛機(jī)的實時監(jiān)控技術(shù)與頻率，但是由于技術(shù)和成本等因素，目前各航空公司向地面?zhèn)鬏敱O(jiān)控數(shù)據(jù)的頻率只有30分鐘/次，對于高速飛行的民航客機(jī)而言，兩次數(shù)據(jù)之間的位置相差何止數(shù)百千米。所以，民航業(yè)內(nèi)專家們也開始探討如何采用新技術(shù)方法來提高航空運輸安全，包括飛機(jī)每6海里要報告一次區(qū)位信息，相當(dāng)于監(jiān)控數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程高清實時圖傳，還能多模式全程準(zhǔn)確追蹤定位飛行器。如果將其技術(shù)成果應(yīng)用到客機(jī)上，就可以實時掌握客艙內(nèi)部情況以及客機(jī)自身的工作情況，客機(jī)失聯(lián)、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(tuán)隊還有更大的目標(biāo)。“本次飛行我們測試兩個系統(tǒng)的基本工作能力，和它們在三維空間運動時的自動穩(wěn)定情況，以及準(zhǔn)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(dāng)然，定點懸浮需要用到另一種全新的技術(shù)方法?！崩顣躁栃判臐M滿地告訴記者。

后記