智能平流層浮空器：馭風(fēng)飛行 巡天探海

　　智能平流層浮空器——

　　馭風(fēng)飛行 巡天探海

　　■國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院講師 鄧小龍

　　去年年底，以色列國防部宣布部署具有探測導(dǎo)彈和飛機功能、安裝先進雷達系統(tǒng)的浮空器。這款浮空器被稱為“高可用性浮空器系統(tǒng)(HAAS)”，是世界上最大的浮空器之一，可針對巡航導(dǎo)彈、武器化無人機和其他空中威脅等提供預(yù)警。這個消息使得浮空器又一次引起了各方關(guān)注。

　　浮空器泛指比空氣輕的各類飛行器。人們?nèi)粘＝佑|到的氣球，就是最常見的浮空器。本期科技大講堂，為您介紹一種“大氣球”——智能平流層浮空器。它飛得高、留得久、能載重，不僅能執(zhí)行多樣化天地探測與通信等任務(wù)，作為臨近空間的新型智能化平臺，還在空天探測、天氣預(yù)報、態(tài)勢感知、信息保障等方面具有廣闊應(yīng)用前景。　　

智能平流層浮空器風(fēng)場利用原理圖?！　?/p>

陸戰(zhàn)場應(yīng)用示意圖。

　　從“零壓氣球”到“超壓氣球”

　　小時候，我們在游樂園玩耍，常常會讓父母給買一只氣球。如果一不小心撒手，氣球會“乘風(fēng)而去”。每當這時，我們腦海中就會產(chǎn)生一串疑問：一只氣球能飛多高?它最終會飛到哪里去?

　　一般來說，氣球的最大升空高度，由球皮的材質(zhì)、彈性以及厚度等決定。普通氣球通常采用乳膠材料制成，多用于慶典活動。隨著飛行高度增加，乳膠氣球不斷鼓脹，球皮不斷變薄，往往上升到2000米高空附近就會爆炸。同時，乳膠氣球在高空受到強烈的紫外輻射和臭氧腐蝕而產(chǎn)生“內(nèi)傷”，球皮會快速老化。因此，乳膠氣球相對“柔弱”，它的飛行高度、飛行時長、搭載重量十分有限。

　　為了開展高空科學(xué)試驗，科研人員從20世紀60年代起相繼開始大規(guī)模研發(fā)高空氣球。它采用高分子聚乙烯材料，通過材料性能改進，保證氣球在-70℃低溫、強臭氧、強紫外射線等極端環(huán)境下可以長時間穩(wěn)定工作。

　　最初的高空氣球也叫零壓氣球，它在球體底部用管道與外界大氣連通，使得氣球內(nèi)外氣壓相等，壓力差為零，這樣保證氣球不會因為球內(nèi)壓力過大而炸裂。零壓氣球的體積巨大，甚至可超過一個小型體育館，能吊起與一輛小汽車重量相當?shù)妮d荷。它的飛行高度可達30~40公里，可以持續(xù)飛行數(shù)周，被科研人員廣泛用于執(zhí)行宇宙線觀測、光譜分析和航天試驗等任務(wù)。

　　當然，零壓氣球也存在一定的局限性。由于球內(nèi)外連通，內(nèi)部氣體會不斷流出，氣球難以長時間保持設(shè)計的飛行高度。

　　近年來，美國的零壓氣球已發(fā)展成為科研服務(wù)產(chǎn)業(yè)，平均每年進行10~20項高空氣球試驗。法國國家太空研究中心(CNES)能制造120萬立方米的大型零壓氣球，是歐洲氣球活動的中心。

　　此后，高空氣球經(jīng)歷了一輪“強筋健骨”的技術(shù)革命，發(fā)展形成了超壓氣球。它采用全封閉的南瓜形氣球結(jié)構(gòu)，避免了氣體從球體流出，這種三維結(jié)構(gòu)讓氣球可以承受更大的內(nèi)部壓力。此時，超壓氣球就像練就了“鋼筋鐵骨”的“憋氣”高手，在飛行過程中始終保持一定的體積，看起來就像一個透明的巨型南瓜。目前，采用超壓氣球技術(shù)的平流層浮空器，能實現(xiàn)300天以上的超長連續(xù)飛行，完成環(huán)球飛行，有些性能堪比衛(wèi)星。

　　從“隨風(fēng)逐流”到“馭風(fēng)萬里”

　　此前，由于沒有像飛機那樣使用發(fā)動機與控制舵面，氣球難以精確控制其飛行航線。被動受制于風(fēng)場的氣球，如同大海中隨波漂流的船只，時常無法順利抵達目的地。

　　這個難題隨著環(huán)境大數(shù)據(jù)、人工智能等科技發(fā)展而得到了較好的解決。2020年，在國際頂尖期刊《自然》雜志上發(fā)表的《利用強化學(xué)習(xí)的平流層氣球自主導(dǎo)航研究》論文，首次證實了人工智能技術(shù)能為平流層浮空器在風(fēng)場中提供飛行控制的能力，幫助平流層浮空器控制飛行航線或者實現(xiàn)區(qū)域駐留。

　　這是平流層浮空器在“強筋健骨”后的新一輪技術(shù)革命——裝上“最強大腦”。平流層浮空器可以像人類一樣學(xué)習(xí)方法、訓(xùn)練技能和智能決策，從“隨風(fēng)逐流”被動飛行進化到“馭風(fēng)萬里”主動執(zhí)行任務(wù)。

　　人們發(fā)現(xiàn)在距離地面20公里高度附近的風(fēng)速普遍較小，并且風(fēng)場的大小和方向會在高度上發(fā)生變化。這里的風(fēng)就像開往不同方向的列車，有的高度開往東，有的高度開往西。

　　智能平流層浮空器可以通過“坐電梯”的方式到達不同高度的“站臺”，“換乘”特定速度與方向的風(fēng)場“列車”。簡單來說，當智能平流層浮空器需要從A地飛行到B地，只要對兩地之間的風(fēng)場“列車”進行準確預(yù)測和搜索，便可通過調(diào)整飛行高度“搭順風(fēng)車”?！皳Q乘”過程中，簡單的“電梯”調(diào)節(jié)手段、多變且不確定的風(fēng)場“列車”，使得“搭順風(fēng)車”難度大，一不小心就容易“坐錯車”或“坐過站”，這對智能平流層浮空器的決策判斷提出了更高要求。

　　總的來說，新型智能平流層浮空器應(yīng)具備三大技能：“知風(fēng)”“用風(fēng)”“馭風(fēng)”。

　　“知風(fēng)”是指及時、準確獲取所處位置及目標區(qū)域的風(fēng)場信息，從而獲得復(fù)雜多變的風(fēng)場“列車時刻表”?！爸L(fēng)”的手段主要包括探測和預(yù)報。由于地基和天基探測手段難以在時間和空間上覆蓋高空氣球活動范圍，平流層浮空器需要搭載重量小、能耗低的風(fēng)場探測設(shè)備以提供小范圍的風(fēng)場信息。同時，為有效進行大時間空間尺度飛行，還需借助氣象部門的“鎮(zhèn)館之寶”——全球中長期天氣預(yù)報系統(tǒng)，提供大尺度范圍的風(fēng)場信息。

　　“用風(fēng)”是指平流層浮空器通過“坐電梯”方式到不同高度的“站臺”上“搭順風(fēng)車”，也就是高度調(diào)控技術(shù)。常見的高度調(diào)控方式是在浮空器的球體內(nèi)置一個小球，通過將外界空氣充入或排出小球，改變浮空器的總重量。例如，當浮空器需要到高一點的“站臺”，首先排氣減重，使重力小于浮力而上升;當?shù)竭_新飛行高度“站臺”時，再進氣增重，使浮力與重力相等而懸停。

　　“馭風(fēng)”是指平流層浮空器根據(jù)風(fēng)場“列車”特點和任務(wù)要求，決策什么時候“坐電梯”、坐到哪個高度“站臺”。這個問題看似簡單，卻會因預(yù)報誤差、探測限制、實時動態(tài)決策等限制導(dǎo)致決策失誤。這時候，便需要借助人工智能來判斷決策。通過在計算機上對各種情況進行反復(fù)“模擬練習(xí)”，在線“學(xué)習(xí)”飛行數(shù)千萬小時，平流層浮空器將獲得與特級飛行員相當?shù)慕?jīng)驗。

　　此時，智能平流層浮空器帶著堪比“王牌飛行員”的聰慧大腦和豐富經(jīng)驗“上崗”，明智地實施控制決策，從而更好地完成任務(wù)。由于其持久的飛行時間和智慧的決策能力，平流層浮空器也被稱為臨近空間“偽衛(wèi)星”。

　　從“服務(wù)大眾”到“參軍效力”

　　在經(jīng)歷“強筋健骨”和“聰慧大腦”等技術(shù)革新后，智能平流層浮空器憑借著其載重大、航時長、成本低、部署快等優(yōu)勢，成為與火箭、人造衛(wèi)星并駕齊驅(qū)進行高層大氣和空間科學(xué)研究的主要工具，和前沿科學(xué)研究與技術(shù)驗證的重要平臺。

　　如今，智能平流層浮空器在環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)研究、空天技術(shù)、態(tài)勢感知、信息保障等領(lǐng)域開啟了多樣化應(yīng)用新篇章。

　　科學(xué)研究方面，智能平流層浮空器憑借其持續(xù)穩(wěn)定的環(huán)球飛行能力，被用來開展高層大氣測量和進行空間天文觀測。法國-美國合作Strateole-2項目規(guī)劃在2019年至2024年間放飛約50個平流層浮空器，研究影響赤道地區(qū)對流層和平流層之間通道的氣候過程，探測重力波，改進氣象預(yù)報系統(tǒng)。

　　信息保障方面，智能平流層浮空器可以搭載空中基站或無線中繼設(shè)備，為地面提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋和無線回傳。谷歌X實驗室于2013年正式發(fā)起Loon項目，旨在通過將智能平流層浮空器放飛到海拔20公里的高度，組成空中無線網(wǎng)，向地面覆蓋。他們希望通過這種方式，讓農(nóng)村和偏遠地區(qū)也有互聯(lián)網(wǎng)接入。2015年，Loon利用13個氣球全面覆蓋斯里蘭卡地區(qū);2017年，在“瑪麗亞”颶風(fēng)登陸后，為波多黎各2萬多人提供了互聯(lián)網(wǎng)連接。這一項目雖因無法建立可持續(xù)的商業(yè)模式而關(guān)閉，但作為一次人類科學(xué)探索試驗，它是成功的。

　　軍事應(yīng)用領(lǐng)域，平流層浮空器也開始在態(tài)勢感知、信息保障上嶄露頭角。美國陸軍正在探索將平流層浮空器作為一種低成本快速響應(yīng)平臺，對陸?？諏嵤┻h距離的廣域通信、偵察、監(jiān)視、中繼，為部隊提供更及時的通信和態(tài)勢感知，并幫助陸軍實現(xiàn)多域作戰(zhàn)的裝備多樣化。

　　隨著科技創(chuàng)新的持續(xù)深化，智能平流層浮空器的飛行時長、智能程度將更上一層樓，不但將在極地和海洋科考、遙感測繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且還可能作為天體航空探測手段奔赴更廣闊的空間，成為人類探天巡海的“千里眼”和“順風(fēng)耳”。

　　制圖：樊 崢