曝美正测试新气球雷达系统方案,临近空间成为各巨头机构争夺焦点

科学
曝美正测试新气球雷达系统方案,临近空间成为各巨头机构争夺焦点
麻省理工科技评论 2018-11-19

2018-11-19

根据近日披露的消息,美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)一直以来都在研发测试一种风速传感器,安装有这种传感器的平流层气球可以从相对较远的距离之外就测量出风的速度和方向,然后进行必要的调整,目的就是要使气球可以一直保持在一个位置上。毫无疑问,这一技术突破将使日趋激烈的临近空间竞争更加被重视起来。
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根据近日披露的消息,美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)一直以来都在研发测试一种风速传感器,安装有这种传感器的平流层气球可以从相对较远的距离之外就测量出风的速度和方向,然后进行必要的调整,目的就是要使气球可以一直保持在一个位置上。毫无疑问,这一技术突破将使日趋激烈的临近空间竞争更加被重视起来。

根据近日披露的消息,美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)一直以来都在研发测试一种风速传感器,安装有这种传感器的平流层气球可以从相对较远的距离之外就测量出风的速度和方向,然后进行必要的调整,目的就是要使气球可以一直保持在一个位置上。毫无疑问,这一技术突破将使日趋激烈的临近空间竞争更加被重视起来。

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(来源:MIT Technology Review)

在飞机诞生以前,人类探空的重要工具就是气球,相比较于飞机 2、3 万米的最高升限,气球有一个非常明显的优点,那就是其具备飞到几十公里的高度、进入平流层的能力。而且,随着现在以平流层为核心的临近空间越来越得到各国的重视和开发,一些平流层气球被用于对地监测、情报收集甚至网络通信的案例层出不穷。

事实上,最早的平流层气球是 NASA 在 20 世纪 50 年代放飞的,当时主要是用于科学试验任务。而现在,以谷歌 Project Loon、World View 公司 Stratollite 为代表的平流层气球项目则将开发重心放在互联网通信上。2017 年 9 月 20 日,波多黎各遭遇飓风 Maria 入侵,并引发洪灾,导致 83% 的网络基地瘫痪,当时,谷歌就在灾区部署了 Project Loon 气球通信系统,为受灾群众提供紧急移动蜂窝网络连接。

但看似前景大好的平流层气球却有一个巨大的障碍,那就是气球作为一种动力较弱的飞行器,大多数情况下它只能随风移动,导致一次仅能在一个区域上空停留几天。而无法做到长期驻留就不能为一个地区提供长期稳定的服务,也将会大大削弱平流层气球的应用价值。

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图丨Project Loon(来源:Project Loon)

为了解决这个问题,同时也为了搭配 DARPA 自己的“适应性轻于空气”气球项目(Adaptable Lighter-Than-Air,ALTA)。DARPA 提出了新的风速传感器概念。



卫星传感器“嫁接”平流层气球


这种被称为“平流层光学自协方差测风激光雷达”(stratospheric optical autocovariance wind lidar,Strat-OAWL)的风速传感器是由 Ball Aerospace 公司制造,本来是为 NASA 的卫星而设计的。

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(来源:Ball Aerospace)

它具体的工作原理是,平流层飞行器所携带的雷达向大气中发射激光脉冲,在遇到风之类的流动空气之后,随风流动的微小颗粒(气溶胶)会将一小部分光束反射被回来,反射光的波长会根据光束反射回来的先后而稍稍有变化,这也就是知名的多普勒频移效应(Doppler Shift),即物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。通过分析这种变化,OAWL 就可以确定风的速度和方向。

在多普勒频移风感激光雷达的应用方面,欧空局的“风神”(Aeolus)卫星可以算是个中的典型代表。经过近 20 年规划,今年 8 月 23 日,Aeolus 在圭亚那太空中心被发射升空,运行在 400 公里高空的太阳同步轨道,预计 2019 年 1 月传回首批数据。虽然设计寿命仅有 3 年,但 Aeolus 的价值仍然巨大,可以将预测飓风路径的准确度提高 9%。

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图丨“风神”(来源:ESA)

而为了提高风力测量的精度,Strat-OAWL 可以同时从两个方向观测,从而能更好地显示风速和风向,相比于其他风力传感器有很大进步。对此,Ball Aerospace 的激光雷达系统工程师 Sara Tucker 说:“这就像是用两只眼睛向外看。”

在测量精度方面,以往在飞机上使用的传统 OAWL 传感器可以做到在 14 公里远的距离将风速确定在 1 米/秒的精度范围内。但切换到平流层版的 Strat-OAWL,除了要在精度上予以保留之外,更重要的是在体积上所有缩小,毕竟气球的携带能力无法和飞机相提并论。



临近空间的想象力


如今,随着各国对临近空间的重视加强,各种适用于这一区域的飞行器概念被不断提出,从可以实现长航时、远航程的气球、飞艇、太阳能无人机到被冠以“亚轨道”名号的各种火箭、高超声速飞行器,可以说是群雄竞逐。

临近空间,就是介于我们常说的“航空”与“航天”之间的范围,按照高度,可以分为三个主要区域:距地面 18 到 55 公里的平流层、距地面 55 到 85 公里的中间层和距地面 85 到 800 公里的增温层。

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(来源:Ohbot)

与传统飞机相比,临近空间飞行器最主要的两个优点就是滞空时间长和覆盖范围广,将较于传统飞机最多也不到 24 小时的留空时间,临近空间飞行器的留空时间可以轻松突破几天,甚至经过专门开发的平台还有望达到数月甚至一年以上。

而与在轨运行的卫星相比,临近空间飞行器的高度一般只是低轨卫星的 1/10~1/20,具有距离地面近、调动灵活、经济性好、通讯延迟低等优点,既可以收到卫星不能监听到的低功率传输信号,也容易实现高分辨率对地观测。

那么,DARPA 开发 Strat-OAWL 传感器和 ALTA 气球项目的目的有会是什么呢?根据 DARPA 气球项目经理 Alex Walan 的介绍,军事用途肯定是重要的考量之一,因为 ALTA 气球要比一般 2 万多米高度的气球还要更高,所以其被战斗机击落的概率也就更低,因此其可以承担通讯、导航甚至充当无人机母舰的角色。

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除了军事用途之外,众多商业公司也盯上了临近空间的机会。例如,近几年,Alphabet(谷歌母公司)也一直在开展它的互联网项目 Project Loon,计划利用热气球为落后、偏远地区提供互联网接入服务,该技术也在 2015 年入选《麻省理工科技评论》十大突破技术之一。2014 年,谷歌还收购了 Titan Aerospace,希望通过开发高空无人机来向缺乏通讯基础设施的地区提供无线互联网。

另外,互联网社交巨头 Facebook 的连接实验室也一直致力于开发名叫“天鹰座”(Aquila)的平流层无人机,并在 2016 年 7 月 22 日完成首次试飞。和谷歌一样,Facebook 也希望利用这种飞机来为全球互联网连接欠缺的部分地区提供网络连接服务。

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图丨“天鹰座”无人机(来源:IEEE)

当然,高空的想象力也并不是仅限于网络连接,商业公司 WorldView 也在谈论“临近空间旅游”的概念,在那一高度,游客们可以同时饱览黑暗的太空与曼妙的地球曲率,每人大概收取 75,000 美元的费用。

而在 2015 年后,WorldView 也有了新的方向,他们与 Ball Aerospace 公司合作,提出了 Stratollite 气球概念,该气球可以携带相机和其他仪器进入平流层,其最大的应用方向就是拍摄高分辨率的地面图像。World View 表示,Stratollite 气球的运行成本仅仅是常规卫星 1%。

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图丨Stratollite 气球正在充气(来源:WorldView)

在国内,中国航天科工集团公司发布的“五云一车”工程中的飞云工程和快云工程也属于临近空间飞行器项目。其中,飞云工程是以高空长航时无人机为平台,为地面网络无法覆盖到的特定用户提供网络接入服务。该项目所用到无人机由航天科工三院开发,有效载荷为 50 公斤,可在两万米高空连续飞行 5 天。快云工程是采用飞艇作为平台,高度较飞云更高,因而覆盖的范围更广,可为用户提供中继通信、引导或监视等服务。

2017 年首飞成功的彩虹太阳能无人机更是使得中国成为继美、英之后,第三个掌握临近空间太阳能无人机技术的国家。

由此可见,世界各国对于临近空间的争夺已经日趋白热化。就像气球制造商 Raven Aerostar 公司的总经理 Scott Wickersham 所说,“这种技术的发展将会使平流层飞行器的各种应用前景成为现实,在未来,平流层气球将像今天的商业飞机一样普遍!”

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