临近空间升起“中国彩虹”

　　两万米，中国彩虹太阳能无人机近日突破的飞行高度让人们振奋，因为这不仅标志着中国拥有了进入临近空间的一款新型飞行器，而且其性能指标进入世界前三甲，实现了核心关键技术和设备全部国产化，为中国临近空间开发利用提供了重要支撑。

　　临近空间优势独特

　　临近空间也被称作“近空间”“亚轨道”或“空天过渡区”，指距地面20公里至100公里的空域。迄今为止，除了发射航天器的火箭会偶尔穿越和极少数国家有试验性航天器飞行之外，这片寂静的空域基本上是尚未被开垦的处女地。

　　临近空间有独特优势。在其中运行的飞行器与同步卫星系统相比，具有通信距离短、传播损失低、延迟少且寿命长的特点，同时可大幅降低地面设施建设费用。另一方面，造价和相关通讯资费相比同步卫星平台更低，某些性能更优良。具体到彩虹太阳能无人机，其总工程师石文指出，它能充分利用太阳能，长期运行、灵活部署，既可以广泛应用于重大自然灾害预警、常态化海域监管、应急抢险救灾等公益事业领域，也可以与其它设备配合，提供无线网络热点以及宽带通信服务。石文特别强调，与卫星相比，太阳能无人机对地观测的分辨率更高。他说，商用卫星在数百公里的高度可以实现0.5米的分辨率，太阳能无人机距离地面只有20多公里，分辨率可达到厘米级。

　　临近空间的开发和应用价值日益为人们关注和重视，多国政府、科研机构及高科技巨头都加强科研力量，研制开发飞行器，以对临近空间科学探索和开发利用。“太阳鹰”据报道是美国波音公司研制的一种太阳能无人机，可在3万到5万米高空连续飞行5年。美国宇航局和航空环境公司联合研制的太阳神太阳能无人机续航时间可达数年。欧洲空中客车防务与航天公司制造的最新款“西风”太阳能无人机可在2万米高空飞行1个月。

　　历经风雨方见“彩虹”

　　太阳能无人机是利用太阳光辐射能作为动力、在高空连续飞行数周以上的无人驾驶飞行器，其工作原理并不复杂。飞行器利用光电池将太阳能转化为电能，通过电动机驱动螺旋桨旋转产生飞行动力。白天，它依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行，同时对机载二次电源充电；夜间，它释放二次电源中储存的电能，维持整个系统正常运行。如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要，则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行。

　　“永久”飞行当然只是理论上的理想状态，而不断提高其航时，则是通过努力能够实现的目标。根据试验来看，“彩虹”在空时间超过15小时。而根据石文的说法，“彩虹”未来将具备超长航时特点，留空时间可长达数月至数年，他和同伴的目标是继续追赶甚至超越美国同行。

　　中国太阳能无人机研制起步较晚，“彩虹”所达到的上述性能指标已属不易，据石文介绍，上世纪80年代，部分航空院校开始跟踪国外太阳能飞行器设计技术发展。最近10多年，我国科研人员对太阳能飞行器进行了深入研究，迅速迎头赶上。

　　高空长航时太阳能无人机性能的核心技术之一是高效能源综合管理系统，实现对全机能源的管理分配和优化。虽然通过各种手段提高了太阳能转化率，增大了翼展太阳能板面积，并提高了电池储电能力，但是动力系统、飞控和航电系统等同时工作，需要在有限的资源下，科学管理各单元的用电需求，对全机能源进行合理分配和优化。经过集中努力攻关，终于实现了相关技术突破。

　　实现无人机在复杂气象条件下精确控制是另一个重要技术突破。据彩虹无人机科技有限公司副总工程师贾永清介绍，在研制期间，无人机经常出现在低空强紊流飞行时“上蹿下跳、左摇右晃”的问题。为了解决这个问题，研制团队在理论和工程层面艰难攻关，历时一年多，终于把这个问题解决了，不但让飞机飞了起来，还飞得稳、飞得高。

　　就这样克服重重困难，石文与中国航天科技集团公司第十一研究院的项目团队，成功突破了总体、气动、结构、飞行控制、能源和推进、应用等关键技术，通过技术验证及大量实验，验证了系统设计和集成技术，终于迎来了绚丽的“彩虹”。

　　让“彩虹+”性能卓越

　　对于彩虹太阳能无人机来说，临近空间飞行试验成功只是初战告捷，完成了阶段性目标，临近空间持久飞行及配备针对不同行业和用途的载荷，提供优质的应用和服务才是最终目标。

　　提高临近空间最大飞行高度和速度、大幅延长连续运行时间是“彩虹”面临的最紧迫的任务。太阳能的能量特点决定了改进和提高“彩虹”性能的努力只能继续沿着几个主要方向进行，比如，提高电能转化率和电能储存、开发利用石墨烯等新型材料、优化气动布局设计等，进一步做到轻量化，减小阻力与系统损耗，实现超高效率和超强的飞行能力，而这些都需要多学科集中攻关才能实现。要真正进入应用领域，“彩虹”还要在自身优秀性能基础上，搭载具体行业的应用载荷设备，并与之实现天衣无缝的性能对接，这需要“彩虹”研制团队与相关行业科研和应用人员进行良好合作。

　　作为临近空间开发的利器，“彩虹”除了服务于国内各地区和部门，而且还将作为“中国制造”新的亮丽名片，赢得国外消费者的认可和口碑，为他们提供优质服务。据石文介绍，虽然，太阳能无人机还在继续发展完善中，但是已经吸引了一些外国客户的目光，表现出很大兴趣，主动联系，了解有关信息。

　　临近空间广阔无垠。可以预见的是，在不久的将来，一架架绚丽的“中国彩虹”将在其间升起，并与互联网、大数据、人工智能等深度融合，开启临近空间应用时代，以独具中国特色的“彩虹+”大幅改善人们的生产和生活。

　　链接一

　　临近空间飞行器

　　与传统航空航天飞行器相比，临近空间飞行器在活动范围、运行时间、功能作用和使用效率、费用比上均具有较为明显而独特的优势。这类飞行器主要有两类。第一类是包括高空气球、平流层飞艇、太阳能无人机等在内，速度小于1马赫的低速临近空间飞行器，主要特点是留空时间长，载荷能力大，飞行高度高，生存能力强，可以携带可见光、红外、多光谱、超光谱和雷达等多种载荷。第二类是包括超声速、高超声速巡航飞行器和亚轨道飞行器等在内，速度大于1马赫的高速临近空间飞行器，具有飞行速度快、飞行距离远、机动能力强的特点，可搭载传感器作为情报侦察监视平台。

　　链接二

　　中国旅行者号氦气球

　　2015年6月6日，来自中国深圳光启科学有限公司的旅行者号在新西兰南岛阿什伯顿成功放飞，1小时内升空到达设计高度21公里，在临近空间完成对地对空监测、空间环境探测、天地高速通信等商用载荷测试。

　　旅行者号充满气体后，总重量超过1吨，造价约2亿元人民币。该气球采用超材料逆向设计技术，克服了低气压、极大昼夜温差、强烈的紫外辐射和臭氧腐蚀等影响。

　　链接三

　　中国圆梦号飞艇

　　2015年10月14日，中国新型临近空间平台圆梦号飞艇在内蒙古锡林浩特成功放飞，它具备持续动力、可控飞行、重复使用能力。圆梦号体积达1.8万立方米，依靠氦气浮力升入空中。它采用3个六维电机螺旋桨，升空后依靠太阳能提供动力。