临近空间科学技术的发展及应用

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

图2 临近空间原位探测平台

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km²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。