临近空间科学技术的发展及应用

临近空间凭借其独特的地理位置优势，在民用和军事领域都有着广泛的应用需求和场景，在整个太空安全中的战略地位越来越重要，已经成为大国战略博弈的重要领地。

我国目前面临着对临近空间环境认知不足，不能有效支撑对临近空间的开发与利用、临近空间飞行器技术发展不成熟，高速飞行与区域长期驻留困难、应用系统技术发展不成熟，面向重大需求的应用潜力挖掘不足等问题。应通过着手加强顶层规划，明确发展路线图，以及突出核心关键，科学布局，加强基础研究等方式，提高临近空间开发和应用水平。

0 1国内外临近空间科学研究现状

临近空间（near-space）。处于传统航空器的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间，如图1所示，主要包括平流层大部分、中间层和一部分增温层区域，纵跨非电离层和电离层，空气稀薄，存在臭氧、紫外、辐射等特殊环境，温度随高度变化呈现出一定规律，存在重力波、行星波、大气放电等特殊现象。因为其独特的空间环境，成为人类认知地球空间的新领域。从地球气候的角度来看，可侧重从能量、通量、动量、物质交换等方面来认知临近空间与空间天气、临近空间与低层大气之间的相互作用；从临近空间环境变化规律来看，可侧重从临近空间环境的探测、建模和预报等方面来认知临近空间环境的多时空尺度变化特性；从利用临近空间的角度来说，可侧重从飞行器/探测器工程实施来认知临近空间气体动力学规律、工程材料的使用性能以及材料与环境的相互作用（图1）。

图1 临近空间构成

大气与空间环境研究。20世纪中期，主要关注临近空间成分、密度、电磁和辐射参数，20世纪60、70年代开始探测平流层和中间层的大气温度、成分。1981年美国太阳中间层探索卫星、1991年美国高层大气研究卫星、 2001年瑞典等国Odin小卫星、2002年欧空局ENVISAT卫星、2007年美国AIM卫星，开始关注大气与空间天气的相互作用，认为60km以上的中间层、热层是行星与地球空间相互作用的主要区域。“极地”上空物质能量交换研究。“极地”不仅包括传统意义的南北极，青藏高原也被认为是第三极，具有特殊的研究价值。南北极极地冷源与赤道热源是地球大气基本驱动力；开放磁力线，两极是空间环境与低层大气耦合的重要窗口。国际上已在南极建立了多个永久观测基地，开展地球物理、大气、冰川及空间环境的观测研究，中国建立了中山站、长城站和泰山站，并于2008年建成首个内陆综合科考站昆仑站（DOMEA）。青藏高原被认为是地球对流层大气物质进入全球平流层的重要通道，成为国际上研究热点之一。地基探测手段。利用主/被动手段进行观测，但是由于临近空间缺少对雷达信号敏感的示踪物质， 地基雷达观测始终存在高度覆盖空白、观测参数不全的问题，典型的地基观测设备包括中频、流星、MST（mesosphere-stratosphere-troposphere）、激光等雷达及气辉FPI和气辉成像仪等被动光学设备。天基探测。自20世纪中叶起，以美苏为代表的空间技术大国就将临近空间的探测和研究作为重要的研究发展领域。用于临近空间大气参数探测的卫星主要有美国的高层大气探测卫星（UARS）、逃逸层/低热成层/电离层探测卫星（TIMED），中国的风云三号和全球二氧化碳监测科学实验卫星也具有临近空间部分关键参数的观测能力。原位探测。目前，国内外比较成熟的临近空间原位探测平台主要是高空气球（图2（a））和探空火箭（图2（b）），临近空间太阳能无人机（图2（c））和平流层飞艇（图2（d））作为有应用前景的临近空间科学探测和实验平台，处于关键技术突破的阶段。

图2 临近空间原位探测平台

02国内外临近空间飞行器发展现状

临近空间飞行器分类。无论是军事应用还是科学探索，临近空间飞行器都是重要的载体和平台，因此它成为各国项目研究关注的热点。按照飞行速度1Ma为界，将其分为高速飞行器及低速飞行器，分类如图3所示。

图3 临近空间飞行器分类
高空气球。高空科学气球是目前唯一能在平流层较长时间滞空的运载平台，能够与卫星、载人航天器和其他平台很好地相互配合补充；能够快速实现创新的科学思想，得到有重要科学价值的发现和成果；为实施大型空间计划进行科学思想、仪器原理、技术方法的有效的低成本验证。美国国家航空航天局（NASA）、法国空间研究中心（CNES）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、欧洲航天局（ESA）等知名航空航天研究机构都大量使用高空科学气球平台在临近空间进行科学探测活动，都有国家基础科研经费的持续稳定支持，每年的飞行活动在20次以上，取得了大量的成果（表1、图4）表1 国内外高空气球进展对比

图4 近年来国际著名的高空气球计划超长航时无人机。临近空间太阳能无人机是一种利用太阳能作为动力的临近空间高空长航时无人机，在飞行过程中通过敷设在机体表面的太阳能电池将太阳能转化为电能，其中一部分用于维持无人机飞行，另一部分则储存于储能电池中，用于维持太阳能无人机夜间飞行。太阳能无人机具有飞行高度高、飞行航时超长等特点，应用前景十分广阔，已成为临近空间低动态无人机的一个重要发展方向。目前，欧美等发达国家高度关注并竞相发展太阳能无人机，经过40余年的发展，已逐步由技术验证向工程化应用发展（表2）。

表2 国内外太阳能无人机进展对比
NASA“太阳神”（Helios）无人机最高飞行高度 29.5km，2003年飞行中解体。韩国EVA-3太阳能无人机，2016年进入18.5km平流层高度，飞行时间90 min。2018年7月11日，空客西风S（ZephyrS）无人机首飞（图5），在飞行了25d23h 57min后于2018年8月5日降落于亚利桑那沙漠，打破了西风7原型机2010年的14d飞行记录，创造了飞行时间和飞行高度的非官方记录。2017年5月，中国航天科技集团第十一研究院 “彩虹” T4（图6）临近空间太阳能无人机首飞，飞行高度最高20km，总飞行时间16h，成为国内首家进入临近空间高度的太阳能无人机。

图5 西风S无人机

图6 “彩虹” T4太阳能无人机平流层飞艇。平流层飞艇是一种带动力的可控浮空器，使用太阳能电池作为循环能源，预期在平流层高度定点驻空达数月之久，非常适合作为新型信息平台，用来进行区域性的高精度对地观测、通信中继、区域预警和导航等应用。国外比较著名的几个计划分别为美国的HISentinel（高空哨兵）系列，洛克希德马丁的高空长航时验证版HALE-D飞艇，以及传感器结构一体化（integrated sensor is structure，ISIS）飞艇。HIsentinel80平流层飞艇2010年11月发放，动力出现故障，未能实现最终目标。洛克希德马丁公司的HALE-D飞艇，2011年7月飞行，高度9700m出现排气阀结冰问题，被迫降落。美国的ISIS（integrated sensor is structure）飞艇（图7）设计为巨大口径的雷达与艇体结构结合，能够在20km 高空驻留，持续执行预警侦察任务。该项目因为结构超重问题，首次飞行迟迟未能进行，已经远远落后于计划进度（原计划2013年试飞）。

图7 ISIS飞行概念图
中国平流层飞艇研究处于世界领先水平，2012年中国科学院发放成功的KFG79飞艇是当时世界上体积最大（1.8万m）、推进功率最大（30kW），并且是首艘受控飞行的平流层飞艇。2015年南江空天的“圆梦号”飞艇（图8、表3）成功试飞，进入平流层。近年来，中国电子科技集团公司第三十八研究所也开展了平流层飞艇关键技术研究，并取得了重要进展。

图8 南江空天公司的“圆梦号”飞艇概念图表3 中国、美国平流层飞艇进展对比高速飞行器。临近空间超声速飞行器依托临近空间独特的空间位置，具有飞行距离远、飞行时间长、飞行速度高等特点，在军事领域通过配装侦察载荷和武器载荷，可实现对空中/陆上/海上目标的“侦打一体”作战，形成上可制天、下可制空、制地、制海的新型武器装备，在民用领域可形成远程、高速、大型运输平台，具有广阔的应用前景。超高速飞行器。美国在20世纪60年代提出了一系列高超声速飞行器发展计划，先后建造了一系列用于高超声速飞行试验的飞行器；20世纪90年代制订并实施了即时全球打击计划，以实现在1 h内对全球任何目标实施打击的能力。根据飞行特点，超高速飞行器可分为助推滑翔式和主动巡航式两大类，目前最有代表性的型号如表4所示。表4 美国主要临近空间超高速飞行器计划
HTV-2是典型助推-滑翔类弹道飞行器，美军预期目标是搭载5 t重载荷，在1 h内抵达全球任何地方。图9给出了HTV-2飞行器的理想飞行弹道示意图，全程飞行弹道可分为以下4个阶段。

图9美国HTV-2高超声速飞行器任务剖面
1）初段/发射段：即助推器工作段，至助推器分离止。2）过渡段/再入拉起段：助推器分离后至拉起进入滑翔状态。3）中段/再入滑翔段：即再入滑翔状态段。4）末段：即末端攻击飞行阶段。HTV-2在2010年和2011年分别进行了两次飞行试验，均在进入滑翔段之后与地面失去联系。X-51A是典型的高超声速巡航类临近空间飞行器，通常采用固体助推器发射，当飞行器达到一定高度、速度后，助推和巡航级分离。然后，巡航级利用自身发动机加速爬升到一定高度、速度后，进入巡航飞行模式（图10）。接近目标后，开始下压，实施对目标的攻击。吸气式高超声速巡航飞行器携带的动力装置一般为超燃冲压发动机。受超燃冲压发动机的约束，超声速巡航飞行器的飞行高度低于助推-滑翔飞行器，一般在20～40 km，巡航速度通常马赫数小于10。

图10 美国X-51A 高超声速飞行器任务剖面
除了美国外，俄罗斯、法国、澳大利亚、德国、印度、日本、欧盟等国家或机构均开展了超高速临近空间飞行器的研究计划，各有特色并均取得了可观的进展（表5）。

表5 各国临近空间超高速飞行器计划对比
探空火箭。探空火箭的初始最大速度可以超过4 Ma，可以归为高速临近空间飞行器。探空火箭也是最早用于临近空间探测的手段，至今仍是国内外临近空间探测的重要手段，可将探测仪器带至1000 km高度近地空间（覆盖临近空间）开展探测和试验，常用于对大气成分、密度、温度、风场等要素进行原位探测，对研究中高层大气、电离层的复杂物理过程具有重要科学意义。 2011—2016 年，美国 NASA 发射了 96 枚探空火箭，其中用于中高层大气、电离层探测研究的有26 枚（图 11）；同期，ESA 发射了约40枚探空火箭，其中有约13枚用于中高层大气、电离层探测，取得了重要的发现和研究成果。

图11 探空火箭上安装的传感器

03临近空间应用需求与现状

临近空间应用需求。临近空间以其独特的地理位置优势，在民用和军事领域都有着广泛的应用需求和场景。民用的应用需求主要有科学探测与实验、通信、城市综合服务、对地观测等；军用需求包括快速突防、预警监测、侦察监视、电子干扰和通信导航等。

国内外临近空间应用现状。基于高空科学气球较高的技术成熟度，临近空间应用已有案例以高空气球为主，主要应用方向为空间科学和大气科学的探索，除此之外还包括临空投放与发射、通信服务、新技术验证试验、临近空间载人观光等。

临近空间投放与发射。火星大气密度仅有地球表面的约1%，地球上32~33 km 高度的大气密度是地面空气密度的1%。可以利用地球高空大气稀薄的条件模拟火星大气。NASA的低密度超音速减速器（LDSD）计划就是利用高空气球将推进器带入36 km高度，投放后加速到4 Ma，然后使用减速器及减伞降速，以此检验火星着陆用大载荷减速器及降落伞的性能 。图12是该计划的飞行任务剖面。

图12 美国的LDSD 任务剖面

临近空间通信服务。临近空间飞行器平台进行微波无线通信相比卫星平台来说，传输路径短，延时小。相对于航空平台来说覆盖范围大、滞空时间长，具有明显的优势。美国的Google公司率先开展了利用临近空间超压气球平台进行通信服务应用方面的研究。Google在2013年6月公布的Project Loon项目采用超压气球技术（图13），气球计划运行高度距离地面20 km，预期持续飞行时间大于100 d。每一个Google气球通信所覆盖的地面范围直径 40 km（相当于2个纽约市面积），通过无线射频链路与48 km以内的气球连接，构成无线网状网络。球载导航设备可通过高度控制追踪不同的平流层风向，以保证气球覆盖的区域恰恰是那些需要通信服务的地方。

图13 Google气球升空机器组网效果

Project Loon项目进展迅速，2016年底，单个气球的最长飞行时间已经超过190 d，并且谷歌曾控制单个气球在秘鲁上空驻留了 98 d。2017 年 5月，谷歌气球与西班牙电信运营商Telefonica 进行合作，为遭遇强降雨侵袭的秘鲁提供快速重建通信服务。仅在72 h内就为4万km的地区提供了基础互联网连接，提供了超过 160 GB 的数据流量,2017年9月，Loon气球还为遭遇飓风袭击的波多黎各提供了应急通信服务。

临近空间新技术验证试验。1）NASA的Flight Opportunity 计划。NASA 对由私营公司提供的飞行平台进行飞行试验提供部分经费支持，鼓励科学家使用这些技术成熟的低成本平台进行空间科学的新技术验证，以提高其技术成熟度。NASA 提供的平台包括临近空间的亚轨道可回收火箭、高空科学气球和高速飞行器（图14）等。

图14 NASA的Fight Opportunity计划示意

2）中国临近空间技术验证试验。中国科学院高能物理研究所在2000年以后利用高空科学气球平台，陆续开展了10余次新技术新装备（图15）的飞行验证工作，取得了100%的成功率，获得丰硕成果。

图15 空间科学仪器在高空气球平台上进行技术验证

临近空间载人观光旅行。美国的 worldview、西班牙的 infinity、中国深圳光启技术有限公司（图16）3家民用公司近几年均提出了利用高空科学气球进行载人临近空间观光旅行的商业运作概念，并开展了一系列无人太空舱的高空气球飞行测试，但到目前为止还没有一家进行过载人的飞行测试。

图16 光启公司旅行者载人舱原型

需要关注的问题。“认不清、留不住、用不好”的表现 人类在临近空间的认知深度、抵达和驻留临近空间的能力、对临近空间的有效利用等方面，相比临近空间相邻的大气圈层还有很大差距，总体上存在“认不清、留不住、用不好”现象。

主要表现在以下方面：

（1）对临近空间环境认知不足，不能有效支撑对临近空间的开发与利用；

（2）临近空间飞行器技术发展不成熟，高速飞行与区域长期驻留困难；

（3）应用系统技术发展不成熟，面向重大需求的应用潜力挖掘不足。

在临近空间的研究与开发应用上，需要重点关注如下问题。

1）临近空间特殊现象认识与环境演变、物质能量交换规律。

2）临近空间燃烧与新型动力。临近空间环境下稀薄气体效应，极低雷诺数流动机理，高效燃烧、超高效能换热、高空低雷诺数下发动机性能衰减特性和抑制方法等。

3）临近空间飞行器材料工程问题。临近空间飞行器材料工程与应用研究是临近空间飞行器设计研发的应用基础。高比强长寿命的高分子柔性薄膜复合材料，高效轻质柔性薄膜太阳能电池，高比强碳纤维复合材料。

4）解决临近空间飞行与应用基础问题：（1）基于多源环境信息感知的浮空器动力学控制与持久驻空问题；（2）高超声速飞行与环境多物理效应耦合作用规律和先进动力问题；（3）临近空间导航通信遥感学科交叉与体系化深度融合模式。

5）新的应用模式问题：（1）临近空间技术的发展为临近空间的开发利用提供了支撑，根据应用需求的不同，采用不同临近空间平台和技术，实现应用效益的最大化；（2）探讨临近空间临近空间开发和飞行器的发展对未来战争的影响，开展军事应用理论和技术的研究，完善空天一体的新型军事应用模式。

04结论

由于环境的复杂性，探测手段的匮乏，对临近空间认知存在很多不足，其应用目前还是以高空科学气球为主要平台，多数临近空间飞行器还存在上不去、留不住的问题，应用需求和工程实施能力之间矛盾突出，建议从以下2个方面着手，提高中国临近空间开发和应用水平。

1）加强顶层规划，明确发展路线图。临近空间在整个太空安全中的战略地位越来越重要，已经成为大国战略博弈的重要领地，为此，首先要对未来科技和战争的需求和关键技术做出正确的评估，明确临近空间功能定位，与航天、航空等其他圈层活动充分互动，发挥各自优势，扬长避短，加强顶层设计，坚持创新驱动，明确发展路线。

2）突出核心关键，科学布局，加强基础研究。前瞻布局、坚定推进基础前沿、重大科学问题的研究，充分发挥各方面优势力量，加强基础研究和共性关键技术的研发。临近空间科学技术领域对中国来说是一个绝好的发展契机，一些基本科学问题孕育重大突破，可望催生新的重大科学思想和科学理论，产生颠覆性技术，进而引发世界军事，经济格局和产业分工的重大深刻调整。

参考文献（略）

作者简介

本文作者：黄宛宁，张晓军，李智斌，王生，黄旻，蔡榕

作者简介：黄宛宁，中国科学院光电研究院，高级工程师，研究方向为浮空器测控、组网通信技术；张晓军（通信作者），中国科学院光电研究院，博士，研究方向为计算机信息技术。

注：本文发表于《科技导报》2019年第21期，原标题为《 临近空间科学技术的发展现状及应用前景 》 有删节。
（责任编辑 刘志远）

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