曝美正測試新氣球雷達系統方案，臨近空間成為各巨頭機構爭奪焦點
根據近日披露的訊息，美國國防高階研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）一直以來都在研發測試一種風速感測器，安裝有這種感測器的平流層氣球可以從相對較遠的距離之外就測量出風的速度和方向，然後進行必要的調整，目的就是要使氣球可以一直保持在一個位置上。毫無疑問，這一技術突破將使日趨激烈的臨近空間競爭更加被重視起來。
（來源：MIT Technology Review）
在飛機誕生以前，人類探空的重要工具就是氣球，相比較於飛機 2、3 萬米的最高升限，氣球有一個非常明顯的優點，那就是其具備飛到幾十公里的高度、進入平流層的能力。而且，隨著現在以平流層為核心的臨近空間越來越得到各國的重視和開發，一些平流層氣球被用於對地監測、情報收集甚至網路通訊的案例層出不窮。
事實上，最早的平流層氣球是 NASA 在 20 世紀 50 年代放飛的，當時主要是用於科學試驗任務。而現在，以谷歌 Project Loon、World View 公司 Stratollite 為代表的平流層氣球專案則將開發重心放在網際網路通訊上。2017 年 9 月 20 日，波多黎各遭遇颶風 Maria 入侵，並引發洪災，導致 83% 的網路基地癱瘓，當時，谷歌就在災區部署了 Project Loon 氣球通訊系統，為受災群眾提供緊急移動蜂窩網路連線。
但看似前景大好的平流層氣球卻有一個巨大的障礙，那就是氣球作為一種動力較弱的飛行器，大多數情況下它只能隨風移動，導致一次僅能在一個區域上空停留幾天。而無法做到長期駐留就不能為一個地區提供長期穩定的服務，也將會大大削弱平流層氣球的應用價值。
圖丨Project Loon（來源：Project Loon）
為了解決這個問題，同時也為了搭配 DARPA 自己的“適應性輕於空氣”氣球專案（Adaptable Lighter-Than-Air，ALTA）。DARPA 提出了新的風速感測器概念。
衛星感測器“嫁接”平流層氣球
這種被稱為“平流層光學自協方差測風鐳射雷達”（stratospheric optical autocovariance wind lidar，Strat-OAWL）的風速感測器是由 Ball Aerospace 公司製造，本來是為 NASA 的衛星而設計的。
（來源：Ball Aerospace）
它具體的工作原理是，平流層飛行器所攜帶的雷達向大氣中發射鐳射脈衝，在遇到風之類的流動空氣之後，隨風流動的微小顆粒（氣溶膠）會將一小部分光束反射被回來，反射光的波長會根據光束反射回來的先後而稍稍有變化，這也就是知名的多普勒頻移效應（Doppler Shift），即物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。通過分析這種變化，OAWL 就可以確定風的速度和方向。
在多普勒頻移風感鐳射雷達的應用方面，歐空局的“風神”（Aeolus）衛星可以算是個中的典型代表。經過近 20 年規劃，今年 8 月 23 日，Aeolus 在蓋亞那太空中心被髮射升空，執行在 400 公里高空的太陽同步軌道，預計 2019 年 1 月傳回首批資料。雖然設計壽命僅有 3 年，但 Aeolus 的價值仍然巨大，可以將預測颶風路徑的準確度提高 9%。
圖丨“風神”（來源：ESA）
而為了提高風力測量的精度，Strat-OAWL 可以同時從兩個方向觀測，從而能更好地顯示風速和風向，相比於其他風力感測器有很大進步。對此，Ball Aerospace 的鐳射雷達系統工程師 Sara Tucker 說:“這就像是用兩隻眼睛向外看。”
在測量精度方面，以往在飛機上使用的傳統 OAWL 感測器可以做到在 14 公里遠的距離將風速確定在 1 米/秒的精度範圍內。但切換到平流層版的 Strat-OAWL，除了要在精度上予以保留之外，更重要的是在體積上所有縮小，畢竟氣球的攜帶能力無法和飛機相提並論。
臨近空間的想象力
如今，隨著各國對臨近空間的重視加強，各種適用於這一區域的飛行器概念被不斷提出，從可以實現長航時、遠航程的氣球、飛艇、太陽能無人機到被冠以“亞軌道”名號的各種火箭、高超聲速飛行器，可以說是群雄競逐。
臨近空間，就是介於我們常說的“航空”與“航天”之間的範圍，按照高度，可以分為三個主要區域：距地面 18 到 55 公里的平流層、距地面 55 到 85 公里的中間層和距地面 85 到 800 公里的增溫層。
（來源：Ohbot）
與傳統飛機相比，臨近空間飛行器最主要的兩個優點就是滯空時間長和覆蓋範圍廣，將較於傳統飛機最多也不到 24 小時的留空時間，臨近空間飛行器的留空時間可以輕鬆突破幾天，甚至經過專門開發的平臺還有望達到數月甚至一年以上。
而與在軌執行的衛星相比，臨近空間飛行器的高度一般只是低軌衛星的 1/10～1/20，具有距離地面近、調動靈活、經濟性好、通訊延遲低等優點，既可以收到衛星不能監聽到的低功率傳輸訊號，也容易實現高解析度對地觀測。
那麼，DARPA 開發 Strat-OAWL 感測器和 ALTA 氣球專案的目的有會是什麼呢？根據 DARPA 氣球專案經理 Alex Walan 的介紹，軍事用途肯定是重要的考量之一，因為 ALTA 氣球要比一般 2 萬多米高度的氣球還要更高，所以其被戰鬥機擊落的概率也就更低，因此其可以承擔通訊、導航甚至充當無人機母艦的角色。
除了軍事用途之外，眾多商業公司也盯上了臨近空間的機會。例如，近幾年，Alphabet（谷歌母公司）也一直在開展它的網際網路專案 Project Loon，計劃利用熱氣球為落後、偏遠地區提供網際網路接入服務，該技術也在 2015 年入選《麻省理工科技評論》十大突破技術之一。2014 年，谷歌還收購了 Titan Aerospace，希望通過開發高空無人機來向缺乏通訊基礎設施的地區提供無線網際網路。
另外，網際網路社交巨頭 Facebook 的連線實驗室也一直致力於開發名叫“天鷹座”（Aquila）的平流層無人機，並在 2016 年 7 月 22 日完成首次試飛。和谷歌一樣，Facebook 也希望利用這種飛機來為全球網際網路連線欠缺的部分地區提供網路連線服務。
圖丨“天鷹座”無人機（來源：IEEE）
當然，高空的想象力也並不是僅限於網路連線，商業公司 WorldView 也在談論“臨近空間旅遊”的概念，在那一高度，遊客們可以同時飽覽黑暗的太空與曼妙的地球曲率，每人大概收取 75,000 美元的費用。
而在 2015 年後，WorldView 也有了新的方向，他們與 Ball Aerospace 公司合作，提出了 Stratollite 氣球概念，該氣球可以攜帶相機和其他儀器進入平流層，其最大的應用方向就是拍攝高解析度的地面影象。World View 表示，Stratollite 氣球的執行成本僅僅是常規衛星 1％。
圖丨Stratollite 氣球正在充氣（來源：WorldView）
在國內，中國航天科工集團公司釋出的“五雲一車”工程中的飛雲工程和快雲工程也屬於臨近空間飛行器專案。其中，飛雲工程是以高空長航時無人機為平臺，為地面網路無法覆蓋到的特定使用者提供網路接入服務。該專案所用到無人機由航天科工三院開發，有效載荷為 50 公斤，可在兩萬米高空連續飛行 5 天。快雲工程是採用飛艇作為平臺，高度較飛雲更高，因而覆蓋的範圍更廣，可為使用者提供中繼通訊、引導或監視等服務。
2017 年首飛成功的彩虹太陽能無人機更是使得中國成為繼美、英之後，第三個掌握臨近空間太陽能無人機技術的國家。
由此可見，世界各國對於臨近空間的爭奪已經日趨白熱化。就像氣球製造商 Raven Aerostar 公司的總經理 Scott Wickersham 所說，“這種技術的發展將會使平流層飛行器的各種應用前景成為現實，在未來，平流層氣球將像今天的商業飛機一樣普遍！”