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摘要

概述了2019年临近空间科学技术的研究热点：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；太空旅游商业公司维珍银河上市，商业化的太空旅游又近了一步。

基于高空气球的临近空间原位科学探测进展

2019年5月，极地中层云湍流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），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。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。

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明显提高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。钙钛矿材料具有特殊的晶体结构，当用于太阳电池时，如果可以克服稳定性和环境兼容性的挑战，可以提供高光照吸收率、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“ 山猫”（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高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。

20192019 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。实际操作中，一颗气球将把大约2 kg碳酸钙送入新墨西哥沙漠上空12英里。这会在空中形成一个长805m，直径90m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以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。

临近空间浮空器平台研究进展

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，该模块能够提供超过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。模块的设计能够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使用寿命要求，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，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”设计目的在于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（30 m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（15.2~21.3 km）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。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成为了此类浮空器的吊舱移动系统 一个新的应用方向，目前可以提供此类浮空器的美国企业包括RAVEN aerostar 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，在2019年8—9月也取得了连续飞行32天的优秀成绩。

临近空间太阳能无人机研究进展

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HAPSMo⁃bile 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，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（Auro⁃ra）发的翼展为74 m“Odysseus”（奥德修斯）太阳能无人机，其设计目标为仅靠太阳提供动力进行有效的无限飞行，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，旨在空中驻留12 个月，目前已经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来看，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进一步优化提升。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。

结论

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经进入白热化阶段；高空气球这款历史悠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越来越多的重视，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。