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(guó)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(guó)防部宣布部署具有探測(cè)導(dǎo)彈和飛機(jī)功能、安裝先進(jìn)雷達(dá)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(duì)巡航導(dǎo)彈、武器化無人機(jī)和其他空中威脅等提供預(yù)警。這個(gè)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(cè)與通信等任務(wù)，作為臨近空間的新型智能化平臺(tái)，還在空天探測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、態(tài)勢(shì)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(chǎng)利用原理圖。　　

陸戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用示意圖。

　　從“零壓氣球”到“超壓氣球”

　　小時(shí)候，我們?cè)谟螛穲@玩耍，常常會(huì)讓父母給買一只氣球。如果一不小心撒手，氣球會(huì)“乘風(fēng)而去”。每當(dāng)這時(shí)，我們腦海中就會(huì)產(chǎn)生一串疑問：一只氣球能飛多高?它最終會(huì)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(dòng)。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(huì)爆炸。同時(shí)，乳膠氣球在高空受到強(qiáng)烈的紫外輻射和臭氧腐蝕而產(chǎn)生“內(nèi)傷”，球皮會(huì)快速老化。因此，乳膠氣球相對(duì)“柔弱”，它的飛行高度、飛行時(shí)長(zhǎng)、搭載重量十分有限。

　　為了開展高空科學(xué)試驗(yàn)，科研人員從20世紀(jì)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(jìn)，保證氣球在-70℃低溫、強(qiáng)臭氧、強(qiáng)紫外射線等極端環(huán)境下可以長(zhǎng)時(shí)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(huì)因?yàn)榍騼?nèi)壓力過大而炸裂。零壓氣球的體積巨大，甚至可超過一個(gè)小型體育館，能吊起與一輛小汽車重量相當(dāng)?shù)妮d荷。它的飛行高度可達(dá)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(cè)、光譜分析和航天試驗(yàn)等任務(wù)。

　　當(dāng)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(huì)不斷流出，氣球難以長(zhǎng)時(shí)間保持設(shè)計(jì)的飛行高度。

　　近年來，美國(guó)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(jìn)行10~20項(xiàng)高空氣球試驗(yàn)。法國(guó)國(guó)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(dòng)的中心。

　　此后，高空氣球經(jīng)歷了一輪“強(qiáng)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(shí)，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(gè)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(shí)現(xiàn)300天以上的超長(zhǎng)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(jī)那樣使用發(fā)動(dòng)機(jī)與控制舵面，氣球難以精確控制其飛行航線。被動(dòng)受制于風(fēng)場(chǎng)的氣球，如同大海中隨波漂流的船只，時(shí)常無法順利抵達(dá)目的地。

　　這個(gè)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(guó)際頂尖期刊《自然》雜志上發(fā)表的《利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的平流層氣球自主導(dǎo)航研究》論文，首次證實(shí)了人工智能技術(shù)能為平流層浮空器在風(fēng)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)區(qū)域駐留。

　　這是平流層浮空器在“強(qiáng)筋健骨”后的新一輪技術(shù)革命——裝上“最強(qiáng)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(dòng)飛行進(jìn)化到“馭風(fēng)萬里”主動(dòng)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(chǎng)的大小和方向會(huì)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(dá)不同高度的“站臺(tái)”，“換乘”特定速度與方向的風(fēng)場(chǎng)“列車”。簡(jiǎn)單來說，當(dāng)智能平流層浮空器需要從A地飛行到B地，只要對(duì)兩地之間的風(fēng)場(chǎng)“列車”進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(jiǎn)單的“電梯”調(diào)節(jié)手段、多變且不確定的風(fēng)場(chǎng)“列車”，使得“搭順風(fēng)車”難度大，一不小心就容易“坐錯(cuò)車”或“坐過站”，這對(duì)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(shí)、準(zhǔn)確獲取所處位置及目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)信息，從而獲得復(fù)雜多變的風(fēng)場(chǎng)“列車時(shí)刻表”?！爸L(fēng)”的手段主要包括探測(cè)和預(yù)報(bào)。由于地基和天基探測(cè)手段難以在時(shí)間和空間上覆蓋高空氣球活動(dòng)范圍，平流層浮空器需要搭載重量小、能耗低的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備以提供小范圍的風(fēng)場(chǎng)信息。同時(shí)，為有效進(jìn)行大時(shí)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(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提供大尺度范圍的風(fēng)場(chǎng)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(tái)”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(gè)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(dāng)浮空器需要到高一點(diǎn)的“站臺(tái)”，首先排氣減重，使重力小于浮力而上升;當(dāng)?shù)竭_(dá)新飛行高度“站臺(tái)”時(shí)，再進(jìn)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(chǎng)“列車”特點(diǎn)和任務(wù)要求，決策什么時(shí)候“坐電梯”、坐到哪個(gè)高度“站臺(tái)”。這個(gè)問題看似簡(jiǎn)單，卻會(huì)因預(yù)報(bào)誤差、探測(cè)限制、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)決策等限制導(dǎo)致決策失誤。這時(shí)候，便需要借助人工智能來判斷決策。通過在計(jì)算機(jī)上對(duì)各種情況進(jìn)行反復(fù)“模擬練習(xí)”，在線“學(xué)習(xí)”飛行數(shù)千萬小時(shí)，平流層浮空器將獲得與特級(jí)飛行員相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。

　　此時(shí)，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(yàn)“上崗”，明智地實(shí)施控制決策，從而更好地完成任務(wù)。由于其持久的飛行時(shí)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(qiáng)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(shí)長(zhǎng)、成本低、部署快等優(yōu)勢(shì)，成為與火箭、人造衛(wèi)星并駕齊驅(qū)進(jìn)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(yàn)證的重要平臺(tái)。

　　如今，智能平流層浮空器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)研究、空天技術(shù)、態(tài)勢(shì)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(cè)量和進(jìn)行空間天文觀測(cè)。法國(guó)-美國(guó)合作Strateole-2項(xiàng)目規(guī)劃在2019年至2024年間放飛約50個(gè)平流層浮空器，研究影響赤道地區(qū)對(duì)流層和平流層之間通道的氣候過程，探測(cè)重力波，改進(jìn)氣象預(yù)報(bào)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(shí)驗(yàn)室于2013年正式發(fā)起Loon項(xiàng)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(yuǎn)地區(qū)也有互聯(lián)網(wǎng)接入。2015年，Loon利用13個(gè)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(xiàng)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(yàn)，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(shì)感知、信息保障上嶄露頭角。美國(guó)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(tái)，對(duì)陸?？諏?shí)施遠(yuǎn)距離的廣域通信、偵察、監(jiān)視、中繼，為部隊(duì)提供更及時(shí)的通信和態(tài)勢(shì)感知，并幫助陸軍實(shí)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(shí)長(zhǎng)、智能程度將更上一層樓，不但將在極地和海洋科考、遙感測(cè)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(cè)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