空間短時飛行試驗工具的應用與展望

姚秀娟，高 翔，陳志敏

(中國科學院國家空間科學中心，北京 100190)

0 引言

空間短時飛行試驗是指以探空火箭、氣球、亞軌道重復發射工具等為主要實現手段，將待試驗對象發射到一定高度，進行科學實驗和技術驗證的研究方法。空間短時飛行試驗既能減弱甚至脫離地球表面客觀存在的大氣、電磁場、重力場等的作用，又能夠做到響應快、周期短、成本低、見效快，在空間環境原位探測、新技術試驗、技術成熟度評估TRA ( Technology Readiness Assessment)等方面發揮了重要作用。在美國、日本和歐洲，廣泛運用空間短時飛行試驗工具實現空間科學觀測以及新型載荷設備、空間站設備、發動機等技術可行性驗證。如美國NASA(National Aeronautics and Space Administration)于2018年1月10日連發3枚探空火箭進行空間X射線輻射和極地中層云的研究；日本于2018年2月3日發射了一枚由高空科學觀測的探空火箭改造的迷你運載火箭SS-520，對微型衛星進行了試驗；波蘭空間技術實驗室專門研制了ILR-33型微重力試驗火箭，載荷比達到了32%[1-3]；俄羅斯與歐空局(European Space Agency, ESA)合作，用其專門的Foton系列、Bio-系列返回式衛星共同開展微重力科學和生命科學研究[4]。我國從20世紀50年代開始了火箭探空事業，90年代進行了返回式航天器的研究[5-6]，先后發射了多枚探空火箭和返回式衛星，取得了一系列科學實驗和技術驗證成果，但總體發射數量和發射頻次與NASA相比具有一定的差距。

1 空間短時飛行試驗工具的應用現狀

空間短時飛行試驗工具主要指以探空火箭、氣球、亞軌道可重復發射工具為主的短時飛行工具，其飛行高度范圍一般在1600km以下，具有試驗成本低、任務部署方便快捷、可重復飛行的特點,主要用于對新研技術進行真實飛行環境下的技術狀態驗證，以及對感興趣區域的“懸?！笔教綔y，是微重力、空間物理學、天文學、行星科學、行星地球使命等領域進行原位探測的重要手段。

1.1 探空火箭

探空火箭的名稱來源于航海術語“to sound”，具有測量的意思[7]。自從1945年美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)發射第一枚探空火箭以來，火箭探空技術就受到了世界各國的重視，廣泛用于空間研究和地球科學探測領域。其中，以美國的應用最具有代表性。在1959—1976年期間，NASA共發射1912枚探空火箭，其后保持每年20發左右的發射數量和穩定持續的經費支持。

經過近60年的發展，NASA的探空火箭已形成了系列，按照飛行試驗需求的不同分為16種類型[8]，如圖1所示。飛行高度一般在100km～1600km，攜帶載荷質量可達1600磅，不同類型的探空火箭的探測能力如圖2所示。其中Black Brant IX火箭的指向精度可達到0.1″，滿足大部分光學載荷的試驗要求;Black Brant XII為高空火箭，能夠搭載有效載荷進行空間極光的物理探測[9-10]。

圖1 NASA不同型號的探空火箭Fig.1 NASA sounding rockets

圖2 NASA探空火箭的飛行能力Fig.2 NASA sounding rocket vehicle performance

歐洲多國具有探空火箭計劃，如法國、德國、挪威、瑞典、英國等，主要用來進行地球大氣探測、微重力試驗、生命科學試驗等。1962年6月，歐洲多國政府簽署了歐洲空間研究組織(European Space Research Organisation, ESRO)公約，將探空火箭計劃列入當時新歐洲組織的三類空間實驗計劃之一。ESRO的第一枚火箭于1964年7月6日和8日在意大利撒丁島的Salto di Quirra發射，實驗有效載荷由比利時和德國的研究人員提供。至1972年，ESRO的官方探空火箭計劃結束時，共發射了140余枚探空火箭，探空火箭計劃在ESRO的早期活動中發揮了重要作用。

目前,歐空局的探空火箭主要有TEXUS、MASER和MAXUS系列，能夠攜帶500kg有效載荷飛行到750km的高空。TEXUS 是德國的微重力環境試驗火箭，MASER是瑞典的材料科學實驗火箭，MAXUS是德國和瑞典合作研制的長時間微重力試驗火箭。

探空火箭一直是歐空局進行科學研究、技術試驗的重要工具。2005年12月1日，ESA在歐洲航天發射場發射了一枚TEXUS-EML探空火箭，該項目由ESA和德國宇航研究院(Deutrum für Luft-und Raumfahrt, DLR)共同投資，在火箭飛行期間，通過遙控指令實現了與試驗樣本的實時交互操作。2007年11月開始，ESA允許學生研究團隊在瑞典北部的基律納發射探空火箭，進行學生載荷的科學實驗。2018年7月6日，在挪威發射了一枚探空火箭，通過將固體推進劑的簡單性與液體推進的多功能性和可控性相結合，對混合動力推進器技術進行了試驗，為未來的運載火箭開發構建模塊，下一步計劃將電機、燃料箱和有效載荷集成在一起，為小型運載火箭提供推進解決方案。

瑞典北部基律納的Esrange探空火箭基地是進行微重力試驗、北極光觀測和地磁實驗的重要基地。該基地于1966年11月19日為ESRO組織發射第一枚探空火箭，前身是基律納地球物理觀測站，在ESRO活動結束后，與歐洲多國合作，持續進行高緯度地區火箭探測技術研究。如今，基律納基地已發射約550枚探空火箭，成為國際科學界用于發射微重力試驗和大氣研究的探空火箭的重要基地，美國、日本等國的航天機構和歐空局也與之有發射合作項目。

日本ISAS探空火箭一直是日本空間科學研究的重要支柱，主要用于天體物理觀測、高層大氣研究、空間等離子體物理探測等。主要有7種類型，其中MT-135、S-210、K-9M、K-10為退役火箭，目前使用的探空火箭有S-310、S-520和SS-520。S-310是一種中型單級火箭，直徑310mm，可以達到150km的高度。它的前身S-300是為了在南極洲進行觀測而開發的，后來由于俯仰滾動共振引起的迎角增加異常導致兩次發射故障，經過技術改進后實現穩定飛行。S-520是K-9M和K-10型探空火箭的升級款，也是一款單級火箭，可選配三軸姿態控制和恢復系統，能夠將100kg有效載荷發射到300km高空，并提供超過5min的微重力飛行環境。SS-520是一種兩級火箭，能夠將140kg的有效載荷發射到大約800km的高度。

日本宇宙航空研究開發機構于2014年8月17日在Uchinoura航天中心發射了S-520-29探空火箭，對散射E層空間結構進行立體觀測。2016年利用探空火箭對太空微重力環境中的氣態鐵冷卻進行了實驗，證明了鐵原子在外太空中難以聚集的問題。2017年1月15日，SS-520-2火箭計劃將一種質量約為3kg的機載納米衛星TRICOM-1送入軌道，但由于技術原因，發射失敗。2018年2月3日，在Uchinoura航天中心進行了第5次發射，并成功將其裝備的微型衛星Tasuki(TRICOM-1R)送入軌道。

探空火箭能夠提供高真空、強振動、大過載試驗環境，是新型探測技術和空間材料進行飛行驗證的首選工具。如NASA 2017年的試驗項目包括高分辨率恒星光譜儀原理樣機試驗，地球植被健康監控技術、空間高能粒子捕獲技術的可行性驗證試驗，火星車技術、鏡頭艙門防水技術、電子系統回收技術、碳納米管的試驗，以及新降落傘在低密度、超聲速環境下的測試驗證等[11-14]。探空火箭上的飛行試驗為NASA在空間站任務、深空探測任務、新型有效載荷的發展方面儲備了技術，為空間科學探測思想和計劃的實施奠定了基礎[15]。

科學探測是探空火箭的另外一項重要任務[16]。探空火箭型號的配備取決于探測目標對飛行高度、姿態等的具體要求。NASA最近兩年主要進行的科學探測飛行試驗主要有：高層大氣擾動觀測、采用試劑噴射制造人造云進行的大氣粒子探測、極光的原位探測、恒星之間的氣體和顆粒物質的探測、太陽極紫外光譜的觀測、空間暗黑地帶探測等[17-19]。在2014年12月探空火箭飛行任務中搭載的FOXSI(Focusing Optics X-ray Solar Imager)儀器探測到了一些名為Nanoflares的小型太陽耀斑的新證據[20]。2012年發射的探空火箭上搭載的高分辨率日冕成像儀發現了太陽磁尾拋射現象[21]。

另外，NASA曾進行多次探空火箭與SOHO、TRACE、STEREO等在軌衛星上的高分辨率光學載荷的比對試驗[22]。并且從2013—2017年連續5年，每年發射一枚極紫外光譜標定火箭，為老化的SDO(Solar Dynamics Observatory)衛星標定數據，借此延長衛星的有效使用壽命。

教育和培訓也是探空火箭項目的一項重要任務。在校大學生、興趣愛好者以及年輕的科技工作者，可以通過參加探空火箭任務獲得實踐經驗，成為后備人才[23]。為此，NASA啟動了專為學生有效載荷試驗的RockSat-X計劃。RockSat-X分為3個階段：第一階段為RockOn，參與者接受關于在亞軌道火箭上進行科學有效載荷飛行所需的基礎知識培訓[24]；在RockOn階段完成基礎知識學習之后，進入第二階段RockSat-C階段，參與進行載荷和火箭設計并進行飛行試驗；RockSat-X階段的試驗為最高級，飛行高度比前兩個階段高出約32km，能夠提供更多的飛行時間[25-28]。

1.2 科學氣球與可重復發射工具

(1)科學氣球

氣球是氣象探測和科學觀測的重要工具，可飛行于地面、低空、平流層。按照壓力的不同，可分為零壓氣球(Zero-pressure Balloon)和超壓氣球(Super-pressure Balloon)[29]。零壓氣球的底部是開放的，側面懸掛與外部相通的管道，空間持續飛行時間一般為2h～3d，飛行高度可達38km，載荷質量可達200kg。超壓氣球是完全密封的，氣體不能逸出氣球，隨著氣體膨脹，壓力也會增加，持續飛行時間比零壓氣球長，最長飛行時間可達100天，飛行高度可達40km，載荷質量可達454kg。為了推進科學觀測和研究，NASA專門設立了科學氣球飛行項目，該項目由弗吉尼亞州的Wallops飛行設施機構管理，在35年的運營中已推出了1700多種科學氣球。

氣球也是進行地球大氣、地磁活動等探測的重要手段之一[30]。2013年，NASA在南極發射了20個氣球組成的陣列，每個氣球攜帶的有效載荷質量約為20kg，飛行高度為30km～35km，主要目的是對范·愛倫帶以及地磁活動進行觀測[31]，氣球陣列與其他航天器在觀測方位上共軛，彼此之間可直接進行觀測結果的比較。2017年10月，采用氣球搭載的科學載荷對地球大氣中的宇宙射線進行了監測[32]。

由于氣球能夠在地球大氣層之上進行“懸?！笔接^測，并能夠通過通信鏈路向地球直播，是空間事件實時觀測的重要工具。2017年8月21日，美國發生99年一遇的日食現象，NASA為此發射了高空氣球，向全世界進行了日食過程的視頻直播。

氣球也是進行技術驗證的手段之一。如NASA的宇宙射線能量和質量研究項目(Cosmic-Ray Energetics and Mass investigation, CREAM)，將氣球作為空間儀器開發的試驗平臺，為國際空間站的有效載荷提供飛行驗證[33]。

氣球能夠搭載幾kg至上百kg的質量，是對學生載荷進行技術驗證的重要方式。如BalloonSAT探索計劃就是一項于2004年開始的學生培訓計劃，每年進行一到兩次氣球發射試驗，攜帶光和溫度傳感器、宇宙射線探測器、電場擾動探測儀、氣凝膠顆粒物質、種子等試驗載荷和相機。Bag Ballon計劃采用學生建造的熱氣球模型，研究加熱對氣體的作用機理等。

(2)可重復發射工具

Zero-G公司的拋物線飛機和亞軌道發射工具Xombie是NASA常用的可重復發射工具[34]，具有可重復性使用、發射成本低的特點。除了具有空間運輸的作用外，還可以搭載有效載荷進行短時微重力試驗，攜帶的有效載荷質量可達幾百至上千kg。

2013年，NASA選擇了21種有效載荷在可重復發射工具上進行了100多項技術的飛行試驗，包括cube-sat技術和行星探索任務中的新型傳感器技術。其中包括14種新型載荷搭載拋物線飛機進行失重條件下的試驗，2種載荷搭載亞軌道可重復發射工具進行試驗，3種載荷在20km的高軌氣球上進行試驗，1種載荷分別搭載拋物線飛機和亞軌道可重復發射工具進行對比試驗，另外1種載荷分別搭載亞軌道可重復發射工具和高軌氣球進行對比試驗，獲得了大量的試驗數據。

2 飛行機會計劃(FOP)與TRL評估

20世紀90年代，美國大量的武器裝備和航天項目研制過程中出現了經費嚴重超支、工期延誤、指標降低甚至中途下馬的現象。經過大量案例分析后發現，一些重要技術尚未成熟到一定程度就進入工程研制階段是導致項目出現嚴重問題的重要原因[35]。1999年，美國總審計署發布了一份影響深遠的報告，建議美國國防部采用NASA的技術成熟度分級TRL (Technology Readiness Levels)評價機制[36]。2005年，美國國會對NASA重大系統的開發合同進行立法，明確要求其技術成熟度應達到TRL6級[37-39]。為此，NASA負責空間技術研究與管理的機構-空間技術任務局STMD (Space Technology Mission Directorate)專門制定了一系列計劃[40]，用于技術成熟度的提升和驗證工作?！帮w行機會計劃”FOP(Flight Opportunities Program)[41-42]是其中之一，目的是為試驗對象提供TRL4～TRL7級的空間環境下的短時飛行試驗。

圖3 NASA TRL 驗證的相關計劃Fig.3 NASA TRL ranges of program

由于能夠發射到一定高度，從而減弱甚至脫離地球表面客觀存在的大氣、電磁場、重力場等的作用，滿足技術成熟度評估中TRL7級(系統原型在太空環境中獲得驗證)對太空環境試驗條件的要求，探空火箭、高空氣球、特種飛機等短時飛行試驗工具成為FOP計劃中進行各類新型載荷設備、空間站設備、發動機等技術可行性驗證的首選工具。為保證計劃的順利、持續實施，FOP設置了相對固定的經費支持，如2018年探空火箭項目的財政預算為5900萬美元，氣球項目的經費預算為3730萬美元，后續幾年逐年穩定增長。在FOP計劃的持續穩定支持下，NASA利用空間短時飛行試驗工具進行了高頻次的科學探測和技術試驗工作。表1為最近進行的探空火箭飛行試驗任務統計情況，涵蓋了NASA空間科學的最新研究領域，為新概念、新技術的驗證提供了大量機會，為后續探索計劃的提出和工程實施儲備了技術[43]。

3 我國空間短時飛行試驗工具的發展展望

3.1 研究基礎與現狀

我國從20世紀50年代開始進行火箭探空技術的研究[5]，90年代開始進行衛星返回技術的研究[6]，探空火箭、氣球、返回式衛星等飛行試驗平臺在鄰近空間環境研究、空間氣象探測、材料試驗、微重力及生命科學試驗等方面發揮了重要作用，促進了空間環境觀測與實驗、微重力科學、空間生命科學與技術、有效載荷技術、元器件保障等試驗技術的發展。進入21世紀以來，由于任務響應快、可重復使用等特點，無人機也逐漸成為一種常用的短時飛行試驗工具。

至20世紀末，我國已發射了近300枚各類型探空火箭。1958—1970年期間，中國發射使用的探空火箭主要有兩個系列：以液體發動機做動力裝置的T-7系列和以固體發動機做動力裝置的HP系列，使用的發射場是位于安徽省廣德縣的華東火箭發射基地和位于酒泉衛星發射中心的探空火箭發射場。1988年12月，中科院在海南西海岸建成了中國第一座用于科學研究的探空火箭發射場，該發射場是世界上少數幾個靠近赤道的火箭發射基地之一，同年，在此發射了4枚“織女一號”火箭，進行了低緯度地區的高空氣象探測。1991年，在此發射了2枚“織女三號”探空火箭，分別進行147km和127km以下空域的大氣探測和高空物理探測，獲取了寶貴的科學探測數據；在“子午工程”一期項目的支持下，于2011年5月在海南發射了一枚氣象火箭和一枚探空火箭，成功獲取了200km以下空域的低緯度地區的大氣和電離層數據，為進一步研究中高層大氣和電離層中的動力學過程，建立地磁活動和太陽活動對無線電、光學等影響的物理模型奠定了基礎；2013年和2016年，在海南再次進行了兩次探空火箭發射試驗任務，對電離層、近地空間高能粒子、磁場強度與結構進行了原位探測，獲取了300km以下高度的空間環境垂直分布的第一手探測數據，為研究電離層、地磁、宇宙線、太陽紫外線和X射線、隕塵等多種日-地物理現象積累了經驗。2016年以來，隨著國內商業航天的快速發展，涌現了一批民營火箭公司，為空間短時飛行試驗提供了更多的機會。2018年4月在海南發射的“雙曲線一號”探空火箭和5月在內蒙古阿拉善盟發射的“重慶兩江之星”探空火箭，發射高度分別達到108km和38.7km，進行了技術驗證和空間探測實驗。

但總體來看，我國現階段空間短時飛行試驗工具的發射數量和發射頻次與NASA相比仍然具有一定的差距。

3.2 發展展望

可喜的是，我國的空間科學和空間技術呈現出一種競相創新的發展形勢，新的探測思想層出不窮，新技術、新方法、新原理接踵而至。在這些新思想、新技術、新方法、新原理能夠達到實際工程任務應用的要求之前，需要進行一段時間的培育和關鍵技術攻關。模擬環境或真實空間環境試驗條件下的飛行試驗是對這些培育項目和技術攻關課題的實際效果進行驗證和評估的首選條件。而空間短時飛行試驗工具作為一種響應快速的飛行試驗手段，能夠按照需求飛行到幾百至上千km高度，克服地球表面客觀存在的大氣、電磁場、重力場等的作用，彌補地面模擬試驗中存在的不足，在新材料和新技術驗證、空間科學事件的機動觀測、新型探測載荷的培育等方面具有較強的發展潛力。

因此，我國應抓住空間科學與技術發展的良好機遇，在已有探空火箭、氣球、返回式航天器發展的基礎上，通過持續穩定的引導和支持，發展一定數量的空間短時飛行試驗工具，為新技術和新材料驗證、科學觀測、教育培訓等提供平臺和機會，加快成果產出和后備人才培養。

具體可從以下幾方面著手：

(1)新技術、新材料試驗與評估

空間短時飛行試驗工具的飛行高度可達到幾百km甚至上千km，能夠克服地球表面大氣對光的散射和折射作用，可以為光學及太陽觀測類有效載荷提供真實的空間試驗環境，為力學、生命科學等微重力探測類有效載荷提供微重力試驗條件，為行星著陸器、降落返回裝置、通信系統等有效載荷提供高動態飛行試驗條件。既能作為新技術、新材料試驗驗證以及促進技術成熟度從TRL6級升級到TRL7級的重要平臺，還可以作為國產元器件在特定空間環境條件下的飛行試驗平臺。

(2)科學探測

空間短時飛行試驗工具能夠為1000km以下高度的垂直飛行式探測和“懸?！笔接^測提供實驗平臺，符合太陽觀測、空間環境、地磁活動、空間磁場等類型有效載荷的短時探測需求，并且由于發射響應快，非常適合于即時性空間事件的觀測，如日食、太陽黑子爆發等?？砂l展適合于不同科學探測需求的空間短時飛行試驗平臺，形成系列，實現按需飛行。

(3)在軌對比試驗

隨著衛星壽命的延長，由于長期在軌運行工作及器件老化等原因，有效載荷設備可能發生技術狀態的偏離，從而影響指標的靈敏度及科學探測數據的準確性和可靠性?？梢岳每臻g短時飛行試驗工具將該載荷設備的備份件或等效替代件發射到相應高度，以對在軌飛行件的技術狀態進行確認和校準。也可以采取空間共軛或編隊飛行的方式，同時發射多發短時飛行試驗工具，進行協同式、比對式試驗。

(4)教育和培訓

在校大學生、高中生、科技愛好者們提出了很多創新性的概念，通過一些科技創新課題和競賽項目的支持，完成了模型研究工作。空間短時飛行試驗工具可以為學生載荷提供真實的空間飛行試驗機會，推動創新思想的發展。在有效載荷培育過程中，成長的年輕科學家們可以通過參與空間短時飛行試驗任務，經歷實踐鍛煉和實際項目的管理培訓，成為儲備人才。

(5)特殊項目驗證

空間短時飛行試驗工具由于成本低、見效快、可回收，可以作為一些特殊項目，如發動機、控制系統、推進系統、降落系統、回收系統等的演示、驗證工具。

(6)成本控制和項目管理

在新技術培育過程中，技術成熟度評估把關是確保工程實施階段順利進行的重要環節?？臻g短時飛行試驗工具可以作為技術狀態評估把關的手段，輔助成本控制和項目管理，加快工程任務的順利實施。

3.3 示范案例

結合我國空間短時飛行試驗工具的發展基礎與目前迫切的應用需求，采用無人機+氣球+探空火箭的組合式試驗方案不失為一種切實可行的方法，并可實現按照有效載荷的飛行試驗對高度和飛行姿態的要求配置飛行試驗工具，如圖4所示，當飛行高度在10km以下時，可采用無人機作為飛行試驗工具，實現垂直飛行、平行飛行、組陣飛行、翻滾飛行等多種飛行狀態；當飛行高度在35km以下時，主要采用氣球作為飛行試驗工具，實現“懸停”式科學觀測、拋射試驗以及垂直著陸試驗等；當飛行高度在35km以上時，主要采用探空火箭等飛行工具，實現空間環境試驗、微重力試驗等。

圖4 空間科學載荷短時飛行試驗方案Fig.4 Short Term Flight Plans of Space Science Payloads

通過無人機+氣球+探空火箭3種類型的短時飛行試驗工具的組合式試驗方法，可為有效載荷提供從地面至1000km高空的飛行試驗機會，不僅可以突破地球大氣環境的影響，而且飛行任務的準備周期較短，飛行成本相對較低。

4 結論

空間短時飛行試驗工具具有快響應、低成本、高效率的特點，在美國、日本、歐洲的有效載荷培育和技術驗證過程中發揮了重要作用，為未來探測思想的提出和探測任務的實施儲備了技術。我國具有發展空間短時飛行試驗工具的良好基礎，在目前空間科學和技術快速發展的形勢下，加強引導和持續支持，使其成為新技術驗證和評估、科學探測、人才培養的綜合試驗平臺，將會在新型探測載荷培育、科學成果產出、技術和人才儲備方面發揮重要作用。