这一次中国走在世界前

这一次，中国走在世界以前劳动中找到快乐，才是支持我们不断进步的动力源泉。〞李晓阳说。2021年，一个无法绕开的技术难题又摆到了李晓阳的眼前。正是这个难题，使得本文题述的“邻近空间拓荒者〞近太空微型实验室得以应运而生。“邻近空间拓荒者〞的征空之旅邻近空间尤其是平流层上部的近太空高度空气极为稀疏，气压和温度很低，空间环境其余条件与地面也有很大差别。同时，从地面来邻近空间的往返过程中，变体飞艇要经受对流层多变气象和边界层高速气流等复杂环境的考验，任何一点粗心粗心都有可能致使难以设想的严重结果。因此，虽然珠海NCA变体飞艇的材料、飞控装置、艇载任务和通信设施、能源和推进系统等等，在设计制造过程中都经过模拟邻近空间实验仪器的严格测试和外场自然环境测试，但仍旧不能保证变体飞艇往返邻近空间和驻空运行期间整个系统是充分可靠的。这是一个必须解决的问题，不单影响科学实验的成败，更直接关系到民众平安。变体飞艇直接往返邻近空间存在可靠性风险，而不上去又无法考证系统的可靠性，这几乎成了一个“先有鸡仍是先有蛋〞的死结。李晓阳想到一个解决问题的好方法：先创建一种由专用浮空1/9器携带的微小型飞翔平台装置，把变体飞艇的材料、艇载仪器和能源与推进系统等设施带上邻近空间，在自然环境中进行实地综合测试以考证它们的可靠性，然后再把这些装置与变体飞艇主体集成。珠海NCA给这种独到的科研装备命名为“邻近空间拓荒者〞近太空微型实验室。过去能承载各样探空仪器设施，并能与地面站进行双向通信的平流层高空气球，往常需要有数万甚至数百万立方米的巨大概积，还需要复杂的发送升空设施以及地面雷达测控站等，经过遥控排放氢气或氦气、抛弃球载重物〔比如水和沙〕来调节升空高度，利用大气环流往返兜圈以留空一段时间。这类平流层高空气球系统造价昂贵，发送与回收操作复杂，使用本钱高且受季节和空间气流环境的限制。因此，只管这种高空气球已经有了数十年的历史，至今仍旧只有少数兴旺国家在展开实验性应用，难以普及。世界各地每日发放的气象气球和小型探空仪本钱不高，但这些气象气球的功能有限，需要地面雷达站等复杂装置来配合使用，而且这些气象气球一般都不能回收再利用。近年世界各地流行用小型气象气球搭载摄影器材升上高空拍摄地球美景，这类方法虽然易操作和本钱较低，但很难经过远程双向通信来获取实时高清视频图像和照片等信息，只能等待气球破碎后器材伞降落回地面，再借助GPS或无线电定向追踪技术寻回器材，读取图片视频等资料。2/9珠海NCA的“邻近空间拓荒者〞并非一般意义上的高空探测气球，而是把拥有净静升力调节系统和伞降速率控制器的小型高空气球作为载具，搭载功能全面的微小型综合实验室，以极低成本在邻近空间自然环境展开科学实验的创新方法。战胜了难以数计的困难，经过一年多的努力，珠海NCA科技团队终于达成了“邻近空间拓荒者〞1号和2号两组近太空微型实验室的所有研制工作。经有关空管部门批准，2021年9月20日深夜，总质量2.1千克、搭载着各样实验材料和待测仪器设施的“邻近空间拓荒者〞1号，从中国内蒙古的腾格里荒漠腾飞。它先是上涨到平流层下部的强气流区，借助气流以每秒55米的最大速度飘飞了近百千米，再上涨到海拔*米〔约*英尺〕的平流层上部，沿途探测夜间大气环境，实时将各样数据下传地面工作站。达成实验后，可调速降落伞带着实验室，根据气流状况以不同速度穿越大气各层平安返回地面，由在预定着陆点等待的实验人员回收。9月21日深夜，总质量1.86千克、也搭载着各样实验材料和待测仪器设施的“邻近空间拓荒者〞2号从同一地址升空，用相同的方法先是高速水平测试飞翔一段距离，然后上涨到海拔*米〔约*英尺〕的近太空高度，达成实验后也平安返回地面回收。“邻近空间拓荒者〞近太空微型实验室专用的平流层浮空器离地时的容积仅几个立方米，无需特其他场所，一个人就能发送3/9升空。实验室系统能够连续测量地面到近太空整个过程的周边大气环境参数〔如风向、风速、温度、湿度、气压、热度、光照度、臭氧浓度等〕，和自己三维运动的实时状态，并能够从多个角度拍摄高清图像。系统中的微型图传数传装置具备足够的带宽，能把各样测量参数和高清视频图像同步实时下传地面站。在“邻近空间拓荒者〞1号、2号往返邻近空间的飞翔过程中，珠海NCA的一组科研人员在地面站全程观察和记录平台下传的大气环境探测数据、飞翔参数、航迹与三维实时坐标、多路高清视频和图显自动增稳姿态等；另一组科研人员经过视频观察，直接对高空上的实验材料进行遥控测试与记录；远在中国南方的第三组科研人员那么经过临时租用的商业卫星信道，在线监测与记录“邻近空间拓荒者〞近太空微型实验室持续发送的数据信息，全程正确追踪其所在的实时地点。“夜间没有太阳直接辐射，各高度不同时段大气环境的温差、气压变化等各种细节与白天不同。因此，掌握夜空环境对近太空飞翔物体运动状态的影响，对将来跨昼夜的长航时定点驻空或飞翔很有必要。〞李晓阳说。“邻近空间拓荒者〞整个空中系统的总质量约2千克，其中各种功能集于一体、微小型和低功耗的任务设施，质量仅约0.5千克。集成任务设施能够长航时在空中持续工作，在电磁环境和通视状况优秀的条件下，地空双向通信距离可达数百千米。如此微4/9小、低耗却功能多样的邻近空间实用设施，其工程方法和实现技术在世界上没有先例。“邻近空间拓荒者〞近太空微型实验室配置了水平向和滚转自动增稳装置，由IMU和电动高空螺旋桨推进器和阻尼舵、定向标等组成。这些装置显著增加了“邻近空间拓荒者〞在空中运动时的稳定性。空中系统的实验舱和露天平台能够搭载约0.5千克的工程材料和仪器设施。重量仅几千克的便携式地面站功能也很强大，自动追踪空中系统，接收、显示、办理和记录空中系统下传的所有信息，察看和遥控操作工程材料、仪器设施在高空的测试并记录测试数据。“邻近空间拓荒者〞1号、2号圆满达成的征空之旅说明，这种新方法能够使近太空探测与工程试验的本钱显著降低且简单易行，在近太空科研与经济活动中拥有创始性的意义。“邻近空间拓荒者〞亮点纷呈前景广阔现有用于邻近空间探索的浮空器，几乎都是体积动辄数万甚至数百万立方米的“巨无霸〞，相比之下显得极其微小的“邻近空间拓荒者〞，作业能力却不惶多让。随着高度的增加，空气密度也在下降。在低纬度地域的地面上，飞艇或浮空器1立方米的容积大概可承载1千克的载荷，而在邻近空间高度，比如海拔3万米的平流层中上部，承载1千克载荷就需要近100立方米的飞艇或浮空器容积。这就出现了一个常有的问题：气球或飞艇虽然上天了，5/9但已经没有多少载荷能力了。对此，李晓阳有自己的见解：“这种情况下解决问题只有两种可能，一是尽可能地将载具做大，提高其载荷能力，可是载具做大会带来好多有关系的一系列问题，包括材料、强度、操作和养护等等。二是尽可能地将载具和各样等效载荷做小，自然，将载具和等效载荷做小的难度更大、面对的问题更多，但我们认为这是正确的展开方向。〞不论是系统外表仍是试验过程，“邻近空间拓荒者〞1号和2号看起来都没有太大的区别，而事实上两者分别考证了两种不同的信息传输与收集方法。“增大地-空之间的双向通信一般方法是主动发送，靠发射者本身的强大功率，但要保证大的功率就需要更大的体积和重量、功耗等等。我们采用了与众不同的全新技术，利用“光与电磁波拥有同一性〞和“光群场效应〞原理来增大通信距离，让接收者本身就拥有很强的接收能力和信号分辨率，能捕捉和办理很微弱的数据信号。〞李晓阳告诉记者。近年来，近太空旅游和高空联网通信等应用浮空器技术的创新科技与经济活动有升温趋势。比如全球互联网巨头美国Google公司目前正在鼎力推进的“气球网络方案〞，这个听起来有些疯狂的工程是方案在大气平流层放飞大量高空气球来组成无线网络，为更多尚未联网或网络条件不稳定的地域提供低价的无线互联网效劳，填补网络效劳的盲区，或帮助受灾断网地域恢复网络。但是，这些工程都面对怎样实现气球在空中的自动稳定，6/9和对水平向位移的有效控制等重点难题。所以，“邻近空间拓荒者〞将有助于进一步认识近太空，并为需要进行高空实验的材料、动力与能源以及仪器设施等，提供一种低本钱、易操作并且能够重复应用的平台。李晓阳告诉记者，“邻近空间拓荒者〞近太空微型实验室的研制与应用飞翔，还波及诸多前沿技术的集成、优化和设施微小型化工程，其成就未来在多个领域都可能有广阔的应用前景，比如在森林和农田水利资源检查、气象观察等方面发挥作用。将来还有可能用于地震、台风等突发灾害地域的紧迫通信中继和对地观察站，或作为大海上空等无法架设通信网络地带的空中通信平台等等。“邻近空间拓荒者〞技术方法应用的另一个重要展开方向，是地面场站以相对很低的本钱对空中飞翔器舱内外状态进行全程实时图像监测，获取飞翔器三维运动的实时参数，全程精准定位飞翔器的地点所在。这显然会有利于快速和可靠地判断飞翔器发生失联、失踪或坠毁等意外的原因，并快速展开有效的救援，以减少空难损失。在过去的几个月里，马航MH370航班失联事件震惊了全世界，同时也暴露出目前国际上航空运输管理技术方法的巨大破绽。长久以来，国际民航组织内部一直都在议论提升飞机的实时监控技术与频次，可是由于技术和本钱等因素，目前各航空公司向地面传输监控数据的频次只有30分钟/次，关于高速飞翔的民航客7/9机而言，两次数据之间的地点相差何止数百千米。所以，民航业内专家们也开始探讨怎样采用新技术方法来提高航空运输平安，包括飞机每6海里要报告一次区位信息，相当于监控数据的传输频次提高到了1.3分/次。而从上文中我们可知，“邻近空间拓荒者〞不单能够实现远程高清实时图传，还能多模式全程正确追踪定位飞翔器。如果将其技术成就应用到客机上，就能够实时掌握客舱内部情况以及客机自己的工作情况，客机失联、失踪的事件将会显著减少。虽然“邻近空间拓荒者〞1号和2号的试验取得了成功，但珠海NCA科技团队还有更大的目标。“本次飞翔我们测试两个系统的根本工作能力，和它们在三维空间运动时的自动稳定情况，以及正确可靠回收它们的方法，因此只是让它们从地面到近太空飞一个往返。下一次，将测试它们长时间定点悬浮在高空某个指定地点的能力。自然，定点悬浮需要用到另一种全新的技术方法。〞李晓阳信心满满地告诉记者。后记在和李晓阳沟通的过程中，记者突然想到了当下最火的特斯拉电动汽车兼SpaceX火箭发射公司老板伊龙·马斯克，感觉二者有好多相像的地方。在别人看来，李晓阳和他的NCA属于民营公司，而且只是小公司而非航空航天领域科研的正规军。但是就是这样的一家小公司，却每每在前沿物理、新能源利用、仿生科8/9技与创新飞翔方法等方面不断有根