现有用于临近空间探索的浮空器，几乎都是体积动辄数万甚至数百万立方米的“巨无霸”，相比之下显得极其微小的“临近空间拓荒者”，作业能力却不惶多让。随着高度的增加，空气密度也在下降。在低纬度地区的地面上，飞艇或浮空器1立方米的容积大约可承载1千克的载荷，而在临近空间高度，如海拔3万米的平流层中上部，承载1千克载荷就需要近100立方米的飞艇或浮空器容积。这就出现了一个常见的问题：气球或飞艇虽然上天了，但已经没有多少载荷能力了。对此，李晓阳有自己的看法：“这种情况下解决问题只有两种可能，一是尽可能地将载具做大，提高其载荷能力，但是载具做大会带来很多相关联的一系列问题，包括材料、强度、操作和养护等等。二是尽可能地将载具和各种等效载荷做小，当然，将载具和等效载荷做小的难度更大、面对的问题更多，但我们认为这是正确的发展方向。”

无论是系统外表还是试验过程，“临近空间拓荒者”1号和2号看起来都没有太大的区别，而事实上两者分别验证了两种不同的信息传输与收集方法。“增大地－空之间的双向通信一般方法是主动发送，靠发射者本身的强大功率，但要保证大的功率就需要更大的体积和重量、功耗等等。我们采用了与众不同的全新技术，利用‘光与电磁波具有同一性’和‘光群场效应’原理来增大通信距离，让接收者本身就具有很强的接收能力和信号分辨率，能捕捉和处理很微弱的数据信号。”李晓阳告诉记者。 

近年来，近太空旅游和高空联网通信等应用浮空器技术的创新科技与经济活动有升温趋势。例如，全球互联网巨头美国Google公司目前正在大力推进的“气球网络计划”，这个听起来有些疯狂的项目是计划在大气平流层放飞大量高空气球来组成无线网络，为更多尚未联网或网络条件不稳定的地区提供廉价的无线互联网服务，填补网络服务的盲区，或帮助受灾断网地区恢复网络。然而，这些项目都面临如何实现气球在空中的自动稳定，和对水平向位移的有效控制等关键难题。

“临近空间拓荒者”的征空之旅

“临近空间拓荒者”实验飞行轨迹。

临近空间尤其是平流层上部的近太空高度空气极为稀薄，气压和温度很低，空间环境其他条件与地面也有很大差别。同时，从地面到临近空间的往返过程中，变体飞艇要经受对流层多变气象和边界层高速气流等复杂环境的考验，任何一点疏忽大意都有可能导致难以设想的严重后果。因此，虽然珠海NCA变体飞艇的工程材料、飞控装置、艇载任务和通信设备、能源和推进系统等，在设计制造过程中都经过模拟临近空间实验仪器的严格测试和外场自然环境测试，但仍然不能确保变体飞艇往返临近空间和驻空运行期间整个系统是充分可靠的。这是一个必须解决的问题，不仅影响科学实验的成败，更直接关系到公众安全。变体飞艇直接往返临近空间存在可靠性风险，而不上去又无法验证系统的可靠性，这几乎成了一个“先有鸡还是先有蛋”的死结。

李晓阳想到一个解决问题的好办法：先创造一种由专用浮空器携带的微小型飞行平台装置，把变体飞艇的工程材料、艇载仪器和能源与推进系统等设备带上临近空间，在自然环境中进行实地综合测试以验证它们的可靠性，然后再把这些装置与变体飞艇主体集成。珠海NCA给这种独特的科研装备命名为“临近空间拓荒者”近太空微型实验室。

以往能承载各种探空仪器设备，并能与地面站进行双向通信的平流层高空气球，通常需要有数万甚至数百万立方米的巨大体积，还需要复杂的发送升空设备以及地面雷达测控站等。通过遥控排放氢气或氦气、抛弃球载重物（如水和沙）来调节升空高度，利用大气环流来回兜圈以留空一段时间。这类平流层高空气球系统造价昂贵，发送与回收操作复杂，使用成本高且受季节和空间气流环境的限制。因此，尽管这种高空气球已经有了数十年的历史，至今仍然只有少数发达国家在开展实验性应用，难以普及。世界各地每天发放的气象气球和小型探空仪成本不高，但这些气象气球的功能有限，需要地面雷达站等复杂装置来配合使用，而且这些气象气球一般都不能回收再利用。近年世界各地流行用小型气象气球搭载摄影器材升上高空拍摄地球美景，这类方法虽然易操作和成本较低，但很难通过远程双向通信来获取实时高清视频图像和照片等信息，只能等待气球破裂后器材伞降落回地面，再借助GPS或无线电定向追踪技术寻回器材，读取图片视频等资料。

珠海NCA的“临近空间拓荒者”并非一般意义上的高空探测气球，而是把具有净静升力调节系统和伞降速率控制器的小型高空气球作为载具，搭载功能全面的微小型综合实验室，以极低成本在临近空间自然环境开展科学实验的创新方法。

克服了难以数计的困难，经过一年多的努力，珠海NCA科技团队终于完成了“临近空间拓荒者”1号和2号两组近太空微型实验室的所有研制工作。经有关空管部门批准，2013年9月20日深夜，总质量2.1千克、搭载着各种实验材料和待测仪器设备的“临近空间拓荒者”1号，从中国内蒙古的腾格里沙漠起飞。它先是上升到平流层下部的强气流区，借助气流以每秒55米的最大速度飘飞了近百掐米，再上升到海拔28027米的平流层上部，沿途探测夜间大气环境，实时将各种数据下传地面工作站。完成实验后，可调速降落伞带着实验室，根据气流状况以不同速度穿越大气各层安全返回地面，由在预定着陆点等候的实验人员回收。次日深夜，总质量1.86千克、也搭载着各种实验材料和待测仪器设备的“临近空间拓荒者”2号从同一地点升空，用相同的方法先是高速水平测试飞行一段距离，然后上升到海拔38130米的近太空高度，完成实验后也安全返回地面回收。

“临近空间拓荒者”近太空微型实验室专用的平流层浮空器离地时的容积仅几个立方米，无需特别的场地，一个人就能发送升空。实验室系统能够连续测量地面到近太空整个过程的周边大气环境参数（如风向、风速、温度、湿度、气压、热度、光照度、臭氧浓度等）和自身三维运动的实时状态，并能够从多个角度拍摄高清图像。系统中的微型图传数传装置具备足够的带宽，能把各种测量参数和高清视频图像同步实时下传地面站。在“临近空间拓荒者”1号、2号往返临近空间的飞行过程中，珠海NCA的一组科研人员在地面站全程观测和记录平台下传的大气环境探测数据、飞行参数、航迹与三维实时坐标、多路高清视频和图显自动增稳姿态等；另一组科研人员通过视频观测，直接对高空上的实验材料进行遥控测试与记录；远在中国南方的第三组科研人员则通过临时租用的商业卫星信道，在线监测与记录“临近空间拓荒者”近太空微型实验室持续发送的数据信息，全程准确追踪其所在的实时位置。

“夜间没有太阳直接辐射，各高度不同时段大气环境的温差、气压变化等种种细节与白天不同。因此，掌握夜空环境对近太空飞行物体运动状态的影响，对将来跨昼夜的长航时定点驻空或飞行很有必要。”李晓阳说。

“临近空间拓荒者”整个空中系统的总质量约2千克，其中各种功能集于一体、微小型和低功耗的任务设备，质量仅约0.5千克。集成任务设备能够长航时在空中持续工作，在电磁环境和通视状况良好的条件下，地空双向通信距离可达数百千米。如此微小、低耗却功能多样的临近空间实用设备，其工程方法和实现技术在世界上没有先例。

“临近空间拓荒者”近太空微型实验室配置了水平向和滚转自动增稳装置，由IMU和电动高空螺旋桨推进器和阻尼舵、定向标等组成。这些装置显著增加了“临近空间拓荒者”在空中运动时的稳定性。空中系统的实验舱和露天平台能够搭载约0.5千克的工程材料和仪器设备。重量仅几千克的便携式地面站功能也很强大，自动追踪空中系统，接收、显示、处理和记录空中系统下传的所有信息，观察和遥控操作工程材料、仪器设备在高空的测试并记录测试数据。

“临近空间拓荒者”1号、2号圆满完成的征空之旅表明，这种新方法可以使近太空探测与工程试验的成本显著降低且简单易行，在近太空科研与经济活动中具有开创性的意义。 

所以，“临近空间拓荒者”将有助于进一步了解近太空，并为需要进行高空实验的材料、动力与能源以及仪器设备等，提供一种低成本、易操作并且可以重复应用的平台。李晓阳告诉记者，“临近空间拓荒者”近太空微型实验室的研制与应用飞行，还涉及诸多前沿技术的集成、优化和设备微小型化工程，其成果未来在多个领域都可能有广阔的应用前景，如在森林和农田水利资源调查、气象观测等方面发挥作用。将来还有可能用于地震、台风等突发灾害地区的紧急通信中继和对地观测站，或作为海洋上空等无法架设通信网络地带的空中通信平台，等等。

“临近空间拓荒者”技术方法应用的另一个重要发展方向，是地面场站以相对很低的成本对空中飞行器舱内外状态进行全程实时图像监测，获取飞行器三维运动的实时参数，全程精确定位飞行器的位置所在。这显然会有利于迅速和可靠地判定飞行器发生失联、失踪或坠毁等意外的原因，并迅速展开有效的救援，以减少空难损失。

在过去的几个月里，马航MH370航班失联事件震惊了全世界，同时也暴露出目前国际上航空运输管理技术方法的巨大漏洞。长期以来，国际民航组织内部一直都在讨论提升飞机的实时监控技术与频率，但是由于技术和成本等因素，目前各航空公司向地面传输监控数据的频率只有30分钟/次，对于高速飞行的民航客机而言，两次数据之间的位置相差何止数百千米。所以，民航业内专家们也开始探讨如何采用新技术方法来提高航空运输安全，包括飞机每6海里要报告一次区位信息，相当于监控数据的传输频率提高到了1.3分/次。而从上文中我们可知，“临近空间拓荒者”不仅能够实现远程高清实时图传，还能多模式全程准确追踪定位飞行器。如果将其技术成果应用到客机上，就可以实时掌握客舱内部情况以及客机自身的工作情况，客机失联、失踪的事件将会显著减少。

虽然“临近空间拓荒者”1号和2号的试验取得了成功，但珠海NCA科技团队还有更大的目标。“本次飞行我们测试两个系统的基本工作能力，和它们在三维空间运动时的自动稳定情况，以及准确可靠回收它们的方法，因此只是让它们从地面到近太空飞一个来回。下一次，将测试它们长时间定点悬浮在高空某个指定位置的能力。当然，定点悬浮需要用到另一种全新的技术方法。”李晓阳信心满满地告诉记者。