平流层空间开发利用的现状与发展方向.ppt

平流层空间开发利用 的现状与发展方向,北京大学地球与空间科学学院 晏 磊 教授 lyan13910821927,汇报要点,北京大学地球与空间科学学院 晏磊教授 lyan,一、平流层飞行简介 二、平流层的特点 三、平流层近地空间飞行器的研究现状 四、平流层空间开发利用的发展方向,一、平流层飞行简介,平流层 一般指地表高度18km50km空域。 是对地观测航空、航天两大体系的结合部。 目前没有空域限制，是发达大国争夺空间资源的新热点。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,一、平流层飞行简介,平流层飞行，气流稀、观测覆盖尺度大、不受地球气候影响。 既可以克服航空平台滞留时间短、受地球大气影响的限制，又可以发挥航空平台高分辨率、灵活机动的特点。 既可以克服航天卫星轨道无法随意变更、飞行周期长的限制，又可以发挥航天平台飞行平稳、长久、一般不需考虑人的生存限制的优势。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,一、平流层飞行简介,平流层飞行器集现有航空、航天对地观测手段优势为一体，将是未来空间技术发展的重要方向与手段。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,二、平流层的特点,气流主要表现为水平方向运动，对流现象减弱，这一大气层叫做“平流层”，又称“同温层”。,这里基本上没有水气，晴朗无云，很少发生天气变化。在2030公里高处，氧分子在紫外线作用下，形成臭氧层，像一道屏障保护着地球上的生物免受太阳高能粒子的袭击。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,只有一些探测气球偶尔光顾这一空域，但他们也只是匆匆的过客。不过这种状况就要改变了，要不了多久，在这个天外天内交界的地方就会有各式各样飞行物活动，与无人太空船一样这些飞行器都是无人驾驶的。这便是目前欧美等国家正在筹备实施的一项计划。,平流层在云层之上，阳光强烈足以使人头晕目眩看不到任何东西，而那里的温度只有零下54。航空学中把平流层确定为一个无生命的区域。该区域对于飞机来说实在是太高了，而对于卫星来说，又太低了。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,平流层接受到的太阳能量是地面的数倍，使太阳能在飞行器动力能源方面的应用研究成为了新热点，现已成为世界航空工业重点发展的一个新兴领域。 随着世界人口的增加和经济的发展，污染的加剧，地球上的矿物能源在加速消耗，新型清洁能源已是决定人类生存与发展的最重要因素。 利用太阳能是人类发展的必然选择。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,由于常规飞机大多使用吸气式发动机作为动力，高空稀薄的空气使得发动机的功率下降，使飞机继续爬升无法实现，从而限制了飞机航高和续航能力。 以太阳能为动力的飞行器，则可以不受这些限制，因而大大扩展了飞机的高空飞行能力。太阳能飞行器可在低密度空气环境飞行的特点，将有可能弥补现有常规飞行器的缺陷，因此，一些国家已加速在太阳能飞行器领域的研究。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,目前正在研究太阳能飞行器并取得显著进展的国家，主要有美国、瑞士、英国、俄罗斯、以色列和日本、印度等。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,美国国家航空航天局在2003年8月宣称，以太阳能作为动力的飞行器 “太阳神原型机” 在试飞中打破了除火箭外的飞行器所创造的飞行高度记录, 成功升上海拔24720米 的高空。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,这一高度超过了1976年由洛克希德公司的 SR-71 型侦察机创造并保持的 24060米 的记录。 美国国家航空航天局希望这艘太阳能飞行器能继续飞行，并成功升上海拔3万米的高空。 这架飞行器由布满机翼的6.5万片太阳能电池供电。它的翼展有74米，比波音747飞机的翼展还长，但重量仅为700公斤。它的理论飞行高度可达到3.09万米。 发言人还说，这项记录是飞行史上的里程碑。尤其是利用毫无污染的太阳能飞行器创造这项记录，具有划时代的意义，是航空技术领域的一次革命。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,瑞士的探险家47岁的精神病学家 波特兰-皮卡尔，也要进行一次史无前例的冒险活动驾驶着太阳能为动力的飞机环球飞行。,波特兰皮卡尔准备驾驶一架高科技太阳能飞机进行一次极具冒险的环球飞行。他打算驾驶的这架太阳能飞机目前还处于开发研制阶段，瑞士洛桑工学院的研究人员正在用计算机对飞机进行模拟实验，这个工作组由50 名科学家组成。这项耗资4 千万欧元的计划是由4 位不愿意透漏姓名的赞助人出资赞助。第一次飞行实验预计于2007年进行。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,北京大学牵头、相关机构支持形成的太阳能空天飞行器研究开发专业机构，业务范围主要是太阳能飞行器系统集成技术的研究、开发和运用，迄今已经完成开发具有独立知识产权和自主掌握核心技术的“太阳能平流层悬浮平台系统”。 该系统正在申请国家发明专利。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,“太阳能平流层悬浮平台系统”的设计特色： 从理论和实践上突破了飞行器原有的靠高速移动获得举力和靠燃油发动机提供动力的模式，采用太阳能电池提供动力； 采用无轴承电机螺旋桨实现无声飞行； 可垂直升降； 空中长时间悬停； 运动状态可以自控和地控； 可携带武器，进行攻击和自卫。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,“太阳能平流层悬浮平台系统”系统的民用领域： 通信中继 物理探矿 航空摄影 灾情监控 海岸缉私 大气采样 气象观察 边境及石油管道监视,平流层空间开发利用的现状与发展方向,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,三、平流层近地空间飞行器的研究现状,“太阳能平流层悬浮平台系统”系统的军事用途： 昼夜侦察 战场监视 目标定位 校正火炮射击 战场毁伤评估 网络中心战（精确打击所需的通用图像和快速数据流动）的通信中继。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,人类的活动范围，经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层，再从大气层到外层空间的逐步扩展过程。其中的每一次飞跃，都大大增强了认识和改造自然的能力，促进了生产力的发展和社会进步。 加速发展空间技术，全方位、高效率地利用空间技术，特别是充分利用空间信息资源，促进社会生产力的发展，正成为各国政治领袖和人民群众相当广泛的共识。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,卫星遥感对地观测技术，能以不同轨道平台、不同频率波段、不同时间周期以及定量的方式记录地球系统的变化，为我们对全球的了解、全球变化的认识提供基本数据。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,平流层的空间环境介于太空和地面之间，具有相对无菌、真空、高净洁、微重力的“亚太空”优势环境特点，对平流层空间的深入研究和开发利用，使人类世世代代习惯于在重力环境中的思维与活动，扩展到了微重力环境，又为未来的空间工业化、商业化展现出动人的前景。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,1平流层通信 平流层信息平台由于其特定高度、长时间驻空、准静止、可承载一定规模有效载荷等特点，所以与卫星技术和地面系统相比，平流层通信系统具有两者的优点，又不同程度地避免了两者的缺点，拥有显著的优势。 损耗小，延时小。与地面的距离只有卫星高度的1/1800（高轨）、1/500（中轨）、1/50（低轨），有利于广域通信终端的小型化、宽带化。 造价低，服务资费低。其价格约为通信卫星的一半，并且不需要发射费用。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,快速机动。平流层通信系统特别适用于有限区域、边缘地带，以及重大活动（如奥运会）、抢险救灾等应急情况下的临时服务。 组网灵活。平流层通信的距离远，覆盖区域大，当作为接力通信系统的一个节点时，平台间的中继距离可达1000km。当单独使用，作为一个独立的移动通信枢纽时，其覆盖范围可达到90多万平方公里。 业务多样，适应性好。 可回收利用。平台可回收利用,不会造成空间垃圾;采用太阳能和无污染的燃料电池作为动力，有利于环境保护。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,2防灾应用 利用空间技术提供的条件，为防止风灾、水灾、旱灾、火灾、地震等自然灾害服务。防灾应用系统是为实现上述任务中的一项或多项的综合技术系统，将对自然灾害进行预测、预报与控制。它包括综合利用对地观测、遥感图象、地面数据收集平台以及卫星定位系统，对灾区所收集到的信息通过平台通信将它们集中到控制中心，经汇总、融合、显示后做出减灾方案，提供给领导作出决策。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,3环境监测 从平流层空间调查臭氧层的破坏、地球温暖化、土地沙漠化、热带雨林的破坏、海洋污染等这些地球范围内的环境问题。 4平流层飞行器可作为人造卫星的补充，执行监视空中目标、探测风暴、探测水下珊瑚礁（为航海扫除水下障碍）和寻找成片油田的任务。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,5近地空间太阳能发电站 近年来，人类对能源需求不断增长，使煤炭、石油等一次性石化燃料过度消耗，并造成了严重的环境污染，为此，必需开发能替代石油的新能源。人们现已把注意力转向太阳，向太阳索取能源。近地空间太阳能电站平均每天有80的时间，可向地上接收设备输电。在平流层空间，太阳能的利用不会受到天气、尘埃和有害气体的影响，再加上日照时间长，因此空间太阳能电站与同一规模的地面太阳能电站相比，接收的太阳能要高出510 倍。,平流层空间开发利用的现状与发展方向,四、平流层空间利用的发展方向,6在平流层空间进行相关商业活动 利用太空进行商业化活动，是人类文明发展的必然趋势。美国航天界曾预言，在不久的将来，将有在地球与近地轨道之间航行的新型航天货运客机问世，将太空中生产的新材料运回地面。美国有关部门预测，到2010年，不含商业卫星，美空间商业化收益就可达6000亿至10000亿美元。仅药品加工就将收入270亿美元，合金、复合材料和陶瓷材料的收入将达300亿美元。 近地空间是空间商业化的一部分，可利用空天飞行器，进行空间材料加工和药物制备以及平流层旅游等等。平流层旅游比太空旅游的花费要低百倍，更具现实意义。,平流层空间开发利用的现状与发展方