回顧 2019 年，高超聲速飛行器無疑是臨近空間領域最亮麗的風景，多款型號宣佈列裝部隊，對臨近空間制空權的爭奪已經進入白熱化階段；高空氣球這款歷史悠久的臨近空間浮空器，依然是目前在臨近空間長期可靠飛行的唯一選擇，在科學研究領域發揮著難以替代的作用；商業太空旅遊公司的上市，讓人們再次對亞軌道飛行器的首次商業太空旅遊飛行充滿了期待。
臨近空間一般是指海拔20~100 km 之間的空域，在這個區域，常規的飛機飛不上去，衛星下不來，地基觀測和天基觀測都存在各自的短板，目前僅有高空科學氣球能夠在此長期穩定運行，由於缺乏豐富有效的長期原位探測手段，臨近空間有太多的未解之謎有待科學家去揭示:例如，臨近空間是否有生物，它們從哪裡來，臨近空間神秘發光現象的成因是什麼；臨近空間的電磁環境變化對人類活動的影響等。回顧 2019年，在臨近空間原位進行科學探測的高空科學氣球扮演了主角，其他臨近空間飛行器在平臺技術研究與試驗方面也取得了不同程度的進展，多型高超聲速飛行器已經裝備部隊。值得一提的是，維珍銀河借殼上市，成為唯一上市的太空旅遊商業公司，距離商業化的太空旅遊又近了一步。
基於高空氣球的臨近空間原位科學探測進展
2019年 5月，極地中層雲湍流（the polar mesospheric cloud turbulence, PMC Turbo）高空氣球飛行實驗的成果公開發布。本次試驗的飛行時間為2018年 7月 8—13日，從瑞典 Esrange飛到了加拿大北部，歷時 5.9 天。 在 Esrange 的發放任務是由美國國家航空航天局（NASA）承擔。飛行實驗在2018 年夏季最佳時間實現了高分辨 PMC（極地中層雲湍流）成像，捕獲了 PMC Turbo 動態變化的多樣性。
PMC Turbo實驗旨在基於平流層氣球平臺，在38 km 高度定量觀測極地夏季小尺度重力波（GWs）的動力學機制及其對夏季極區中層頂湍流的影響。PMC Turbo 科學載荷包括七臺光學攝像機和一個球載瑞利激光雷達（圖 1），以 PMC為自然示蹤物。其中光學相機在 38 km 高度獲取了 82km 高度 PMC 層 20~100 km 分辨率的圖像（圖 2）。固態瑞利激光雷達（BOLIDE）由德國航空航天中心研製，是國際首次在平流層氣球運行的大功率激光雷達。其發射波長為 532 nm，脈寬 5 ns，頻率 100Hz，口徑 0.5 m，平均功率 4.5 W。瑞利激光雷達獲取了地面至PMC飛行高度的溫度廓線。
圖1 發放前的PMC Turbo 載荷艙
圖2 對極地中層雲的複合寬視角成像拼接結果
2019年 6—9月，在中國科學院“鴻鵠”專項的支持下，中國首次基於浮空平臺開展數百種微生物、藻類、植物等生物樣品的臨近空間暴露實驗，研究這些生物抵抗類火星環境的能力及適應機理，同時也獲得數個產量明顯提高的經濟微生物突變株系，這表明臨近空間生物暴露裝置（圖 3）是一種新型有效的開展類火星環境生物學研究和微生物性狀改良育種應用的綜合實驗平臺。
圖3 臨近空間生物暴露裝置開啟
2019年 8月 1日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）在北海道的 Taiki 航天實驗站發放了一個直徑 11 m的小型高空氣球，用於超薄鈣鈦礦太陽電池的飛行測試。氣球最高攀升至太平洋上空約30 km（100000英尺）的高度。 鈣鈦礦材料具有特殊的晶體結構，當用於太陽電池時，如果可以克服穩定性和環境兼容性的挑戰，可以提供高光照吸收率、低成本和工業可擴展性等潛力，高空氣球搭載太陽電池試驗是對空間用太陽電池的有效驗證手段。
2019年8月22日，826 kg重的氣球載低溫望遠鏡試驗檯（圖 4）“山貓”（balloon- borne cryogenic telescope testbed，BOBCAT）發放成功，在空中飛行了大約 8 h，在平飛高度停留了 4 h 26 min，成功實現既定科學目標。“山貓”是由 NASA的戈達德太空飛行中心的艾倫·J·科古特博士在馬里蘭州領導的一項技術驗證項目，計劃利用高空氣球平臺開展一系列實驗以大幅度提高下一代遠紅外望遠鏡觀測的靈敏度。遠紅外線是研究宇宙黑洞、星雲和新太陽系形成的常用波長。大部分來自太空的遠紅外線被地球大氣層阻擋，甚至連最高的山頂天文臺也不能較好的觀測。因此臨近空間球載觀測平臺是極佳的空間天文觀測實驗室。
圖4 “山貓”任務載荷示意
2019 年 9 月 18 日，NASA 的高空球載日冕儀BITSE（圖 5）終於在薩姆納堡發放成功。飛行高度為 35 km，平飛時間 6 h。BITSE的科學目標是通過對日冕的密度，電子速度和溫度的觀測，揭示太陽風暴的形成原因，通過高空氣球的飛行試驗驗證關鍵技術，為未來在國際空間站的搭載奠定基礎。
圖5 NASA的新型氣球載日冕儀
2019 年，作為平流層氣球的前瞻性創新應用方向，微軟創始人比爾·蓋茨資助了一項看似瘋狂的計劃。這項計劃由哈佛大學的科學家倡導，旨在遏制全球變暖趨勢。按照計劃，科學家將把數量驚人的塵土傾倒入地球平流層。理論上，這些塵埃能夠形成一個巨型遮陽板，將部分陽光反射回太空，進而起到為地球降溫的作用。
最初的測試被稱之為“同溫層可控擾動實驗”（SCoPEx），將耗資300萬美元（圖6）。實際操作中，一顆氣球將把大約2 kg碳酸鈣（體積相當於一袋麵粉）送入新墨西哥沙漠上空 12英里。這會在空中形成一個長0.5英里（約合 805 m），直徑 100碼（約合 90 m）的管狀區域。在接下來的 24 h，氣球在推進器的引導下穿過這個人造雲，其搭載的傳感器將監測塵埃反射陽光的能力以及對周圍稀薄大氣的影響。值得一提的是，該實驗被《Nature》雜誌預測為2019年十大科學事件之一。
圖6 SCoPEx試驗示意圖
臨近空間浮空器平臺研究進展
平流層飛艇
在平流層飛艇方面，法國的Stratobus項目一直受到廣泛關注。Stratobus飛艇體積為 85000 m3，設計用於在 20 km平流層底部高度飛行。該飛艇裝配有用 4 個推進電機，駐空一整年。在理想條件下，它能攜帶 250~450 kg的負載。stratobus飛艇將配有 1000 m3的光伏電池，電池覆蓋其外表材料面積的 1/4，併為其 4臺電動機、儲能系統和有效載荷提供所需的電力。該項目在 2019年取得了兩項重要進展。
1）Thales Alenia 空間公司開發的一種創新性光伏技術：研製一種具有柔性、低成本、重量小於800 g/m2的輕量模塊，該模塊能夠提供超過 200 W/m2的功率輸出，表面積超過 4 m2。每塊光伏電池組件由一系列太陽電池單體組成，而單體電池的額定效率超過 24%。最新的靜態機械驗證試驗表明，封裝材料在紫外線和臭氧的作用下具有很高的穩定性，同時熱循環後的相對功率損失很低。模塊的設計能夠承受特定工作環境下的熱應力和機械應力，以滿足這類技術的長使用壽命要求，包括外殼的膨脹和收縮。
2）“吊艙移動系統”，它是 stratobus 飛艇的一套特殊子模塊（圖 7），吊艙內放置有用於飛艇通信和監測等有效載荷，能夠使飛艇繞本體縱軸旋轉。這套“吊艙移動系統”設計目的在於讓飛艇的太陽能板自動跟隨太陽角方位而運動，以實現最有效地吸收輻射能量。這對於 Stratobus 飛艇操作和能源獨立來說是很關鍵的。這套吊艙已於 2019年在法國南部的LaSeyne 的一處車間中的全尺寸試驗檯（30m長，10 m高）上進行了試驗。這套測試平臺能夠模擬飛艇飛行中的各項參數以為Stratobus 飛艇首飛做足準備。
圖7 吊艙移動系統
超壓氣球
截至 2019年 8月，谷歌氣球在平流層高度飛行超過了 100萬 h，總飛行里程接近 4000萬 km——相當於 100次地月間來回或繞地球飛行1000次。谷歌氣球在50000~70000英尺（15.2~21.3km）之間的大氣中飛行，利用氣泵增加或減少氣球中的空氣，使氣球系統重量增加或減少，以實現在高度上升或下降，直到找到一個有利的氣流為止。高度調節操作在氣球整個生命週期中重複上千次，實現隨風漂流到世界各地（圖 8）。實現這種平流層“舞蹈”需要處理大量的數據，包括來自全球數字天氣模型的風場預報和來自氣球系統本身的實時測量。在4000 萬 km 的飛行中收集到的環境信息算得上大氣研究中的“羅塞塔石碑”。谷歌氣球展示瞭如何將這兩個數據源融合在一起，並對氣球應該做什麼運動做出有根據的猜測。
圖 8 Loon氣球的飛行航跡
2019年 8月，根據聯邦通信委員會（FCC）提交的文件顯示，美國軍方正在使用實驗性高空超壓氣球在中西部 6個州進行廣域監視測試。從南達科他州農村發射了多達 25個無人太陽能氣球，在穿越明尼蘇達州、愛荷華州、威斯康辛州和密蘇里州的部分地區漂流 250英里，然後在伊利諾伊州中部結束。根據航空航天公司Sierra Nevada Corporation提交的文件，這些氣球在高達 65000英尺高度的平流層中飛行，旨在“提供持久的監視系統來定位和阻止麻醉品販運和國土安全威脅”。氣球攜帶高科技雷達，可以全天候24 h同時跟蹤多個車輛。
使用超壓氣球進行廣域監視成為了此類浮空器的一個新的應用方向，目前可以提供此類浮空器的美國企業包括 RAVEN aerostar 和 world view，前者為谷歌大名鼎鼎的 Loon氣球網絡計劃提供超壓氣球，也是 DARPAR“可適應性浮空器”（ALTA）計劃的氣球提供商，後者採用獨特的串聯式超壓氣球造型（圖 9），在 2019 年 8—9 月也取得了連續飛行32天的優秀成績（圖10）。
圖9 本次飛行的航跡圖
圖10 Worldview公司的串聯式超壓氣球
臨近空間太陽能無人機研究進展
太陽能無人機以太陽能為能量來源，以太陽能和儲能電池聯合供電的模式為電推進系統和機載設備提供電能，是臨近空間低動態飛行器的重要組成部分。
進入2019年，日本軟銀公司旗下企業HAPSMobile 與美國航空環境署 圍繞“高空平臺基站”（HAPS）項目開展了合作，旨在為全球偏遠地區提供下一代移動（如 5G）互聯通信，其所採用的“鷹30”（HAWK30）太陽能無人機翼展達到了78 m（圖11），由10臺螺旋槳動力系統驅動，2019年9月完成了首飛，隨後在 11月完成了第二次飛行試驗，並計劃在2020年3月底前開展到達平流層的飛行試驗。
圖11 HAWK30 太陽能無人機
美國波音公司旗下極光飛行科學公司（Aurora）研發的翼展為74 m“Odysseus”（奧德修斯）太陽能無人機（圖 12），其設計目標為僅靠太陽提供動力進行有效的無限飛行，可帶載荷25 kg，原計劃在2019年4月進行的首飛被無限期推遲。
圖12 Odysseus太陽能無人機
此外，英國的 BAE公司正在研發的“持久高空太陽能飛機 35”（PHASA-35），總重 150 kg（含 15kg 載荷），翼展 35 m（圖 13），旨在空中駐留 12 個月，目前已經完成了兩架標準原型機的生產，正在開展首飛的準備工作。
圖13 PHASA-35太陽能無人機
從國外太陽能無人機發展的整體情況來看，已在氣動、能源、動力、結構、控制等多學科技術方面取得了巨大進步，正在與實際工程需求相結合開展有關演示驗證，但是距離大規模工程應用尚需開展進一步優化提升。未來需要繼續在高功率重量比的電機技術、高能量比的儲能電池技術、高轉換效率的太陽能電池板技術、高性能比的複合材料生產製造技術、高可靠性和穩健性的飛行控制技術等方面不斷進行技術探索。
高超聲速飛行器研究進展
2019年是各國高超聲速飛行器系統發展成果卓著的一年，主要大國繼續加大投入力度，同時在導彈武器裝備研發方面已經取得了顯著的成效，明顯形成了美、中、俄三國較力的局面。目前任何防空系統在高超聲速武器面前將毫無用武之地，這也是中美俄3個軍事強國相互角逐的根本原因。
2019年，為應對不斷髮展的高超聲速威脅，美國防部和各軍種正在開發各種“全球快速打擊”項目。美國防部2019財年預算將為此撥款約20億美元；重點高超聲速項目的資金也從 2018 財年的2.01 億美元增加到 2019 財年的 2.78 億美元；2019年 6 月，針對空射快速響應武器“箭”（項目編號AGM-183A），美國空軍利用 B-52轟炸機成功進行了空射快速反應武器原型機的首次繫留飛行試驗（圖14）。
圖14 AGM-183A繫留飛行試驗現場照片
隨後，代理陸軍部長RyanMcCarthy表示，美國正在開展將彈道彈頭安裝到輕型高超聲速導彈上的研究。2019年 12月，美空軍正式授予洛馬公司9.89億美元AGM-183A高超聲速導彈研製合同。
2019 年 10 月 1 日，慶祝中華人民共和國成立70週年閱兵式上，“東風-17”高超聲速乘波體導彈首次公開亮相（圖 15）。“東風-17”是全球首個應用到陸基戰役戰術導彈上的高超聲速彈頭，顯示出中國已經成為了世界高超聲速武器研製第一梯隊中的重要一員。
圖15 DF-17 高超聲速乘波體導彈
2019年 10月 31日，普京宣佈俄新型護衛艦首艦將配備“鋯石”高超聲速導彈，速度最快達到 8馬赫；11月 26日，俄軍宣佈兩枚攜帶有“先鋒”高超聲速打擊器的yp-100Hy型洲際彈道導彈已投入戰備執勤；11月30日，俄羅斯又在北極測試了“匕首”高超聲速導彈（圖16），該測試中使用米格-31發射導彈，加速到了 10馬赫。“匕首”型導彈本身的射程為 2000 km，通過慣導與末制導，其命中精度可達到1 m水平，可打擊整個美韓基地。
圖16 “匕首”高超聲速導彈
針對高超聲速飛行器的發動機，英國反作用發動機有限公司（REL）2019 年 10 月 22 日發佈公告稱，公司SABRE 發動機預冷卻器（pre-cool type heat exchanger）樣機（HTX 測試項目）日前在美國科羅拉州TF2 試驗站成功完成了 5 馬赫模擬條件下的高溫考核試驗。該預冷卻器是 SABRE發動機的關鍵組成部分（圖 17），負責冷卻進入發動機進氣道的熱空氣流，在此次測試中，預冷器在不到 1/20s的時間內成功地冷卻了來流（高達 1000°C）的極端熱量。這有效地證明了預冷器冷卻氣流的能力，其速度遠遠超過了傳統噴氣發動機所能承受的極限。
法國國防部長弗洛朗絲·帕利表示，法國將研製代號為 V-Max 項目的高超聲速武器，並計劃於2021年底進行飛行演示驗證。V-Max高超聲速導彈的飛行速度將達到 5倍聲速以上，在項目最初階段，V-Max將安裝在制導導彈或非制導導彈上進行試驗。
2019年 11月，日本防衛省中長期國防科技發展規劃文件《R&D構想：致力但不限於實現多域防務力量》。文件提出要發展遠程高超聲速武器，規劃了兩條並行開展的技術路線，即助推滑翔導彈和巡航導彈，給出了兩條線的技術發展路線圖。根據路線圖顯示，日本計劃在 2030 年前後列裝採用超燃衝壓發動機作為動力的高超聲速巡航導彈（其中在 2026 年前後列裝早期型高超聲速助推滑翔導彈，2032 年前後列裝增強型高超聲速助推滑翔導彈）；2035年前後再列裝性能升級的新一代高超聲速巡航導彈。
從 2019 年的進展可見，作為重要的進攻性武器，高超聲速飛行器無與倫比的突防能力已經使得現有的防空體系漏洞百出，攻防天平已然傾斜。各技術強國在大力發展進攻武器的同時，不約而同地開始加快防禦系統的論證與研製工作，未來的新型防空武器必然以高超聲速彈頭的攔截作為重要設計需求，這顯然將促進攻防策略與技術研究的新發展。對於高超聲速飛行器技術本身而言，助推-滑翔式飛行器將在現有基礎上，派生出更多的實用性改良型號；而吸氣式高超聲速飛行器會得到進一步重視，在促進軍事技術進步的同時，極有可能在未來的民用領域大放異彩。
超聲速亞軌道飛行器研究進展
同樣作為致力於太空旅遊的商業航天公司，藍色起源和維珍銀河採用了不同的亞軌道飛行器方案：前者為單級火箭助推分離的方式，後者為空中發射太空船的方式。兩者在 2019年都有不同程度的進展，但千呼萬喚的第一次太空旅遊商業飛行依然沒有到來。
2019年 12月，藍色起源創造了一項新的紀錄：同一枚火箭成功實現第6次發射及回收（圖18）；第5次重複使用（單從複用次數來看，無疑這是全球航天界的新高度）；無人太空艙第6次測試飛行、著陸。
圖 18 新謝波德火箭飛行任務剖面
這次發射飛行高度為 104km，仍屬於亞軌道測試飛行，依然是新謝潑德火箭加載人版太空艙的配置，這套箭船系統的核心目的，為了亞軌道商業飛行——打造藍色起源太空之旅，讓太空旅客可以體感到 5 min的失重狀態。載人太空艙設計搭載 6人，自 2017 年 12 月 12 日首次試飛以來，一直處在測試階段，現已總計試飛過 6次。箭船系統多次複用能力，包括回收、翻新能力以及所有發射間隔最小程度的翻新技術。
英國維珍銀河公司方面，通過與Social Capital Hedosophi（SCH）公司的合併，於美國當地時間10月 28日在紐約證交所借殼上市，成為了全球首家、也是唯一一家公開上市的太空商業飛行公司。公司 CEO 懷特賽茲表示，維珍銀河眼下正在完成首架實用型“太空船二號”飛行器的“最後一批工作”。名為“VSS團結號”的這架飛行器年底從加州莫哈韋航空航天港轉往新墨西哥州美洲航天港，以進行最後一系列試飛，擬在 2020 年年中啟動商業運營。
維珍銀河已得到了 600 多位客戶的訂單。懷特賽茲表示，公司正準備恢復已暫停了幾年的售票工作，自公司 2018年 12月首次飛到太空邊緣以來，已有超過 3700人“表達了買票的願望”。他說，公司眼下正在最終敲定新的定價策略。
結論
回顧 2019 年，高超聲速飛行器無疑是臨近空間領域最亮麗的風景，多款型號宣佈列裝部隊，對臨近空間制空權的爭奪已經進入白熱化階段；高空氣球這款歷史悠久的臨近空間浮空器，依然是目前在臨近空間長期可靠飛行的唯一選擇，在科學研究領域發揮著難以替代的作用，它的改進款——超壓氣球在民用領域的應用得到越來越多的重視，平流層飛艇和臨近空間太陽能無人機作為高空“偽”衛星中的雙子星，優缺點均異常鮮明，進展速度低於預期；商業太空旅遊公司的上市，讓人們再次對亞軌道飛行器的首次商業太空旅遊飛行充滿了期待。
基金項目：國家自然科學基金項目（61733017，91638301）；中國科學院戰略性先導專項（XDA17020203）
參考文獻（略）
本文作者：黃宛寧，李智斌，張釗，李丁，朱殷
作者簡介：黃宛寧，中國科學院空天信息創新研究院 ，高級工程師，研究方向為臨近空間飛行器測控技術；李智斌（通信作者），山東科技大學電氣與自動化工程學院 ，教授，研究方向為臨近空間飛行器等智能無人系統動力學、容錯控制及應用。
注：本文發表於《科技導報》2020 年第1期，敬請關注。
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