新型太空竞赛——那些比空气更轻的航空器

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在不久的将来,遨游在地球上空的游客们兴奋地从舱口向外观望,头顶是满天繁星的黑夜,下方是弧形的蓝色地平线。然而,他们乘坐的并不是宇宙飞船,而是“近太空气球”。这个气球发射自蒙古,并非休斯顿,游客也都是中国人。

这种气球是一种新型的太空领域。1958年,俄罗斯成功发射人类第一颗人造卫星“伴侣号”(Sputnik),举世震惊。美国随即成立了太空总署(NASA),与俄罗斯展开太空竞赛,并成为世界上首屈一指的太空强国。卫星在通信、气象监测、导航等领域发挥着至关重要的作用。但是在"伴侣号"升空六十年后的今天,高空气球挑战着卫星的地位。

气球可以在离地30公里(18.7英里)高空进行通信和监测。相比卫星,气球的监测距离更近,造价更便宜,并且更容易收回地球进行升级和修复。

二十世纪五十年代,美国太空总署发射了第一个平流层气球。如今,太空总署用这些气球进行大气研究、地球观测和探索宇宙射线。平流层气球体积巨大,有些甚至大到有伦敦圣保罗大教堂的七倍。制作材料是三明治厚度的塑料,气球内部充满氦气。但是平流层气球有一个弱点,那就是只能随风飘荡,近几年重大的科技突破就是学习如何对进入平流层的气球进行导航。

美国航天公司Nanoracks总裁曼伯(Jeffrey Manber)说:“我们正在探索一个全新的导航领域。现在的一切都可以追溯到依靠星辰和风力航行的大航海时代,在我看来,这可以说是回到未来。”

大气层上部被称为平流层,因为气流是水平流动。平流层又可分成不同的风层,离地球高度不同风向也各有不同。原则上,如果获得了所需的天气信息,我们只需要将气球放至不同的高度,它们就能顺着风力向期望的方向运动。

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Image caption 在发射像“伴侣号”这样的宇宙飞船之前,气球为太空竞赛创造了条件。

谷歌的母公司Alphabet提出的"气球网络计划"(Project Loon)是首批尝试将风向和高空气球结合起来的计划之一,旨在为偏远或受灾地区提供通信。这个计划最初的想法是让一串气球顺着盛行风向移动,但是研究者发现将气球调整至不同高度,利用不同高度的风向可以让气球驻留在某个位置。精密的机器学习算法能够算出合适高度以获取正确的风向。

2017年,飓风“玛利亚”袭击波多黎各,摧毁了当地的基础设施。 “气球网络计划”让当地三十万民众能够使用互联网。这证明了此概念虽仍处于试验阶段但确实行得通。

总部位于亚利桑那州土桑的世界视野公司(WorldView)推出的高空气球名叫“平流层卫星”(Stratollites)。他们计划除了将气球作为通信中继站,还用来作为监控平台。2016年,英国广播公司未来专栏(BBC Future)参观了他们的设备。

世界视野公司的莫里西(Angelica DeLuccia Morrissey)认为这项技术应用十分广泛。它可以持续监测森林,一旦发现火星就能在第一时间通知救火员。除此之外,人们还可以利用这项技术观察海洋偏远地带的海盗行为和实时监测农作物的生长状况。

世界视野公司的想法在三年前看起来可能还虚幻如梦,但是经过一系列越来越雄心勃勃的试飞,这家公司如今已手握不少政府合同和商业客户。美国国防系统将“平流层气球”视为新的“天空之眼”。

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Image caption “气球网络计划”已将气球应用于救灾行动。

平流层气球试飞成功后,美国南方司令部指挥官蒂德将军(Kurt Tidd)说:“这是一个非常好的监控平台,持续时间和驻留时间都很长。对于我们来说,它有可能带来颠覆性的影响。”

这项技术还可以应用于实时气象监测,比如从上方近距离观测飓风。美国国家海洋和大气管理局对此非常感兴趣。

目前,“平流层卫星”气球可以载重50公斤(约110磅),装配的太阳能电池可以保证卫星无限期运行,并为雷达运作和通信提供了充足的动力。体积更大、载重量更强的气球正在研发当中。长期计划包括近太空的旅游和货物运输。任务完成后,“平流层卫星”将会被导航到达指定地点,然后伞降返回地球。人类可以利用这项技术将应急物资和其他货物运至世界上任何偏远的地方。

这一领域的竞争日益激烈,主要竞争力来自中国。2010年,光启科学(KuangChi Science)创建于深圳,主要开发飞行器和通信科技。这家公司正致力于研发“旅行者”号气球和平流层风力导航系统。

光启科技研发团队带头人周飞说:“在中国,最初的关注点是遥感和通信。我们的客户包括政府机关都想将‘旅行者号’与智慧城市系统相结合,”他说,“这种气球的造价只有卫星系统的十分之一到百分之一。”

“旅行者号”气球中的舱体可承载六名乘客飞至平流层。去年十月,光启成功发射一枚载有一只海龟的气球到离地球21公里(约13.1英里)的高空,随后安全收回。有了这项技术,客运飞行能在2021年前实现,预计费用为每人七万英镑(约96600美元)。

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Image caption 过去三年,世界视野公司进行了一系列平流层气球试飞。

周飞还补充道,“旅行者号还是一个二次发射平台。”这意味着人类可以从地球大气层上方发射火箭。相比起从海平面发射,在这里把小型火箭送进太空轨道远要容易得多。如今,微型立方体卫星的市场不断壮大,这项技术将发挥重要作用。

Nanoracks公司总裁曼伯说:“降低立方体卫星的发射成本是全世界都在努力解决的问题之一。”他的公司正与光启科学合作研究“旅行者号”项目。

除此之外,平流层气球还可以向地面释放运载工具。2017年,中国科学院的一个团队将平流层气球作为漂浮的航空基地,向地面释放了两架无人机。这项技术可以帮助人类执行搜寻和救援任务。气球上装有传感器,确定大概地点后可释放无人机以获取近距离的画面。此团队认为一个气球可以负载数百架无人机。

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Image caption 平流层气球将提供一种成本较低的微型立方体卫星发射方式。

中国军方也对近太空展现出浓厚兴趣。目前为止,还没有哪一方完全控制这一领域。平流层气球为军事侦察及其他军事运用提供了一种更加经济的手段,将吸引大批军事合同。

俄罗斯成功发射“伴侣号”,向世人展示了卫星的作用。但自那之后,美国在太空竞赛中超越苏联独占鳌头。在不久的将来,越来越多平流层气球将被用于近太空旅游、通信和监测。目前,近太空竞赛正进行得如火如荼。虽然现在美国可以说是遥遥领先,但中国也正在迎头赶上。

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