新型太空競賽——那些比空氣更輕的航空器

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在不久的將來,遨遊在地球上空的遊客們興奮地從艙口向外觀望,頭頂是滿天繁星的黑夜,下方是弧形的藍色地平線。然而,他們乘坐的並不是宇宙飛船,而是「近太空氣球」。這個氣球發射自蒙古,並非休斯頓,遊客也都是中國人。

這種氣球是一種新型的太空領域。1958年,俄羅斯成功發射人類第一顆人造衛星「伴侶號」(Sputnik),舉世震驚。美國隨即成立了太空總署(NASA),與俄羅斯展開太空競賽,並成為世界上首屈一指的太空強國。衛星在通信、氣象監測、導航等領域發揮著至關重要的作用。但是在"伴侶號"升空六十年後的今天,高空氣球挑戰著衛星的地位。

氣球可以在離地30公里(18.7英里)高空進行通信和監測。相比衛星,氣球的監測距離更近,造價更便宜,並且更容易收回地球進行升級和修復。

二十世紀五十年代,美國太空總署發射了第一個平流層氣球。如今,太空總署用這些氣球進行大氣研究、地球觀測和探索宇宙射線。平流層氣球體積巨大,有些甚至大到有倫敦聖保羅大教堂的七倍。製作材料是三明治厚度的塑料,氣球內部充滿氦氣。但是平流層氣球有一個弱點,那就是只能隨風飄蕩,近幾年重大的科技突破就是學習如何對進入平流層的氣球進行導航。

美國航天公司Nanoracks總裁曼伯(Jeffrey Manber)說:「我們正在探索一個全新的導航領域。現在的一切都可以追溯到依靠星辰和風力航行的大航海時代,在我看來,這可以說是回到未來。」

大氣層上部被稱為平流層,因為氣流是水平流動。平流層又可分成不同的風層,離地球高度不同風向也各有不同。原則上,如果獲得了所需的天氣信息,我們只需要將氣球放至不同的高度,它們就能順著風力向期望的方向運動。

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Image caption 在發射像「伴侶號」這樣的宇宙飛船之前,氣球為太空競賽創造了條件。

谷歌的母公司Alphabet提出的"氣球網絡計劃"(Project Loon)是首批嘗試將風向和高空氣球結合起來的計劃之一,旨在為偏遠或受災地區提供通信。這個計劃最初的想法是讓一串氣球順著盛行風向移動,但是研究者發現將氣球調整至不同高度,利用不同高度的風向可以讓氣球駐留在某個位置。精密的機器學習算法能夠算出合適高度以獲取正確的風向。

2017年,颶風「瑪利亞」襲擊波多黎各,摧毀了當地的基礎設施。 「氣球網絡計劃」讓當地三十萬民眾能夠使用互聯網。這證明了此概念雖仍處於試驗階段但確實行得通。

總部位於亞利桑那州土桑的世界視野公司(WorldView)推出的高空氣球名叫「平流層衛星」(Stratollites)。他們計劃除了將氣球作為通信中繼站,還用來作為監控平台。2016年,英國廣播公司未來專欄(BBC Future)參觀了他們的設備。

世界視野公司的莫里西(Angelica DeLuccia Morrissey)認為這項技術應用十分廣泛。它可以持續監測森林,一旦發現火星就能在第一時間通知救火員。除此之外,人們還可以利用這項技術觀察海洋偏遠地帶的海盜行為和實時監測農作物的生長狀況。

世界視野公司的想法在三年前看起來可能還虛幻如夢,但是經過一系列越來越雄心勃勃的試飛,這家公司如今已手握不少政府合同和商業客戶。美國國防系統將「平流層氣球」視為新的「天空之眼」。

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Image caption 「氣球網絡計劃」已將氣球應用於救災行動。

平流層氣球試飛成功後,美國南方司令部指揮官蒂德將軍(Kurt Tidd)說:「這是一個非常好的監控平台,持續時間和駐留時間都很長。對於我們來說,它有可能帶來顛覆性的影響。」

這項技術還可以應用於實時氣象監測,比如從上方近距離觀測颶風。美國國家海洋和大氣管理局對此非常感興趣。

目前,「平流層衛星」氣球可以載重50公斤(約110磅),裝配的太陽能電池可以保證衛星無限期運行,並為雷達運作和通信提供了充足的動力。體積更大、載重量更強的氣球正在研發當中。長期計劃包括近太空的旅遊和貨物運輸。任務完成後,「平流層衛星」將會被導航到達指定地點,然後傘降返回地球。人類可以利用這項技術將應急物資和其他貨物運至世界上任何偏遠的地方。

這一領域的競爭日益激烈,主要競爭力來自中國。2010年,光啟科學(KuangChi Science)創建於深圳,主要開發飛行器和通信科技。這家公司正致力於研發「旅行者」號氣球和平流層風力導航系統。

光啟科技研發團隊帶頭人周飛說:「在中國,最初的關注點是遙感和通信。我們的客戶包括政府機關都想將『旅行者號』與智慧城市系統相結合,」他說,「這種氣球的造價只有衛星系統的十分之一到百分之一。」

「旅行者號」氣球中的艙體可承載六名乘客飛至平流層。去年十月,光啟成功發射一枚載有一隻海龜的氣球到離地球21公里(約13.1英里)的高空,隨後安全收回。有了這項技術,客運飛行能在2021年前實現,預計費用為每人七萬英鎊(約96600美元)。

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Image caption 過去三年,世界視野公司進行了一系列平流層氣球試飛。

周飛還補充道,「旅行者號還是一個二次發射平台。」這意味著人類可以從地球大氣層上方發射火箭。相比起從海平面發射,在這裏把小型火箭送進太空軌道遠要容易得多。如今,微型立方體衛星的市場不斷壯大,這項技術將發揮重要作用。

Nanoracks公司總裁曼伯說:「降低立方體衛星的發射成本是全世界都在努力解決的問題之一。」他的公司正與光啟科學合作研究「旅行者號」項目。

除此之外,平流層氣球還可以向地面釋放運載工具。2017年,中國科學院的一個團隊將平流層氣球作為漂浮的航空基地,向地面釋放了兩架無人機。這項技術可以幫助人類執行搜尋和救援任務。氣球上裝有傳感器,確定大概地點後可釋放無人機以獲取近距離的畫面。此團隊認為一個氣球可以負載數百架無人機。

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Image caption 平流層氣球將提供一種成本較低的微型立方體衛星發射方式。

中國軍方也對近太空展現出濃厚興趣。目前為止,還沒有哪一方完全控制這一領域。平流層氣球為軍事偵察及其他軍事運用提供了一種更加經濟的手段,將吸引大批軍事合同。

俄羅斯成功發射「伴侶號」,向世人展示了衛星的作用。但自那之後,美國在太空競賽中超越蘇聯獨佔鰲頭。在不久的將來,越來越多平流層氣球將被用於近太空旅遊、通信和監測。目前,近太空競賽正進行得如火如荼。雖然現在美國可以說是遙遙領先,但中國也正在迎頭趕上。

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