空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具的應(yīng)用與展望

姚秀娟，高 翔，陳志敏

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190)

0 引言

空間短時(shí)飛行試驗(yàn)是指以探空火箭、氣球、亞軌道重復(fù)發(fā)射工具等為主要實(shí)現(xiàn)手段，將待試驗(yàn)對(duì)象發(fā)射到一定高度，進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證的研究方法?？臻g短時(shí)飛行試驗(yàn)既能減弱甚至脫離地球表面客觀存在的大氣、電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等的作用，又能夠做到響應(yīng)快、周期短、成本低、見效快，在空間環(huán)境原位探測(cè)、新技術(shù)試驗(yàn)、技術(shù)成熟度評(píng)估TRA ( Technology Readiness Assessment)等方面發(fā)揮了重要作用。在美國(guó)、日本和歐洲，廣泛運(yùn)用空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)觀測(cè)以及新型載荷設(shè)備、空間站設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)可行性驗(yàn)證。如美國(guó)NASA(National Aeronautics and Space Administration)于2018年1月10日連發(fā)3枚探空火箭進(jìn)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(fā)射了一枚由高空科學(xué)觀測(cè)的探空火箭改造的迷你運(yùn)載火箭SS-520，對(duì)微型衛(wèi)星進(jìn)行了試驗(yàn)；波蘭空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室專門研制了ILR-33型微重力試驗(yàn)火箭，載荷比達(dá)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(wèi)星共同開展微重力科學(xué)和生命科學(xué)研究[4]。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開始了火箭探空事業(yè)，90年代進(jìn)行了返回式航天器的研究[5-6]，先后發(fā)射了多枚探空火箭和返回式衛(wèi)星，取得了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證成果，但總體發(fā)射數(shù)量和發(fā)射頻次與NASA相比具有一定的差距。

1 空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具的應(yīng)用現(xiàn)狀

空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具主要指以探空火箭、氣球、亞軌道可重復(fù)發(fā)射工具為主的短時(shí)飛行工具，其飛行高度范圍一般在1600km以下，具有試驗(yàn)成本低、任務(wù)部署方便快捷、可重復(fù)飛行的特點(diǎn),主要用于對(duì)新研技術(shù)進(jìn)行真實(shí)飛行環(huán)境下的技術(shù)狀態(tài)驗(yàn)證，以及對(duì)感興趣區(qū)域的“懸?！笔教綔y(cè)，是微重力、空間物理學(xué)、天文學(xué)、行星科學(xué)、行星地球使命等領(lǐng)域進(jìn)行原位探測(cè)的重要手段。

1.1 探空火箭

探空火箭的名稱來源于航海術(shù)語(yǔ)“to sound”，具有測(cè)量的意思[7]。自從1945年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)發(fā)射第一枚探空火箭以來，火箭探空技術(shù)就受到了世界各國(guó)的重視，廣泛用于空間研究和地球科學(xué)探測(cè)領(lǐng)域。其中，以美國(guó)的應(yīng)用最具有代表性。在1959—1976年期間，NASA共發(fā)射1912枚探空火箭，其后保持每年20發(fā)左右的發(fā)射數(shù)量和穩(wěn)定持續(xù)的經(jīng)費(fèi)支持。

經(jīng)過近60年的發(fā)展，NASA的探空火箭已形成了系列，按照飛行試驗(yàn)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(zhì)量可達(dá)1600磅，不同類型的探空火箭的探測(cè)能力如圖2所示。其中Black Brant IX火箭的指向精度可達(dá)到0.1″，滿足大部分光學(xué)載荷的試驗(yàn)要求;Black Brant XII為高空火箭，能夠搭載有效載荷進(jìn)行空間極光的物理探測(cè)[9-10]。

圖1 NASA不同型號(hào)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(guó)具有探空火箭計(jì)劃，如法國(guó)、德國(guó)、挪威、瑞典、英國(guó)等，主要用來進(jìn)行地球大氣探測(cè)、微重力試驗(yàn)、生命科學(xué)試驗(yàn)等。1962年6月，歐洲多國(guó)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(jì)劃列入當(dāng)時(shí)新歐洲組織的三類空間實(shí)驗(yàn)計(jì)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(fā)射，實(shí)驗(yàn)有效載荷由比利時(shí)和德國(guó)的研究人員提供。至1972年，ESRO的官方探空火箭計(jì)劃結(jié)束時(shí)，共發(fā)射了140余枚探空火箭，探空火箭計(jì)劃在ESRO的早期活動(dòng)中發(fā)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(guó)的微重力環(huán)境試驗(yàn)火箭，MASER是瑞典的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)火箭，MAXUS是德國(guó)和瑞典合作研制的長(zhǎng)時(shí)間微重力試驗(yàn)火箭。

探空火箭一直是歐空局進(jìn)行科學(xué)研究、技術(shù)試驗(yàn)的重要工具。2005年12月1日，ESA在歐洲航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射了一枚TEXUS-EML探空火箭，該項(xiàng)目由ESA和德國(guó)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(shí)現(xiàn)了與試驗(yàn)樣本的實(shí)時(shí)交互操作。2007年11月開始，ESA允許學(xué)生研究團(tuán)隊(duì)在瑞典北部的基律納發(fā)射探空火箭，進(jìn)行學(xué)生載荷的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。2018年7月6日，在挪威發(fā)射了一枚探空火箭，通過將固體推進(jìn)劑的簡(jiǎn)單性與液體推進(jìn)的多功能性和可控性相結(jié)合，對(duì)混合動(dòng)力推進(jìn)器技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，為未來的運(yùn)載火箭開發(fā)構(gòu)建模塊，下一步計(jì)劃將電機(jī)、燃料箱和有效載荷集成在一起，為小型運(yùn)載火箭提供推進(jìn)解決方案。

瑞典北部基律納的Esrange探空火箭基地是進(jìn)行微重力試驗(yàn)、北極光觀測(cè)和地磁實(shí)驗(yàn)的重要基地。該基地于1966年11月19日為ESRO組織發(fā)射第一枚探空火箭，前身是基律納地球物理觀測(cè)站，在ESRO活動(dòng)結(jié)束后，與歐洲多國(guó)合作，持續(xù)進(jìn)行高緯度地區(qū)火箭探測(cè)技術(shù)研究。如今，基律納基地已發(fā)射約550枚探空火箭，成為國(guó)際科學(xué)界用于發(fā)射微重力試驗(yàn)和大氣研究的探空火箭的重要基地，美國(guó)、日本等國(guó)的航天機(jī)構(gòu)和歐空局也與之有發(fā)射合作項(xiàng)目。

日本ISAS探空火箭一直是日本空間科學(xué)研究的重要支柱，主要用于天體物理觀測(cè)、高層大氣研究、空間等離子體物理探測(cè)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(jí)火箭，直徑310mm，可以達(dá)到150km的高度。它的前身S-300是為了在南極洲進(jìn)行觀測(cè)而開發(fā)的，后來由于俯仰滾動(dòng)共振引起的迎角增加異常導(dǎo)致兩次發(fā)射故障，經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。S-520是K-9M和K-10型探空火箭的升級(jí)款，也是一款單級(jí)火箭，可選配三軸姿態(tài)控制和恢復(fù)系統(tǒng)，能夠?qū)?00kg有效載荷發(fā)射到300km高空，并提供超過5min的微重力飛行環(huán)境。SS-520是一種兩級(jí)火箭，能夠?qū)?40kg的有效載荷發(fā)射到大約800km的高度。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)于2014年8月17日在Uchinoura航天中心發(fā)射了S-520-29探空火箭，對(duì)散射E層空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體觀測(cè)。2016年利用探空火箭對(duì)太空微重力環(huán)境中的氣態(tài)鐵冷卻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(jì)劃將一種質(zhì)量約為3kg的機(jī)載納米衛(wèi)星TRICOM-1送入軌道，但由于技術(shù)原因，發(fā)射失敗。2018年2月3日，在Uchinoura航天中心進(jìn)行了第5次發(fā)射，并成功將其裝備的微型衛(wèi)星Tasuki(TRICOM-1R)送入軌道。

探空火箭能夠提供高真空、強(qiáng)振動(dòng)、大過載試驗(yàn)環(huán)境，是新型探測(cè)技術(shù)和空間材料進(jìn)行飛行驗(yàn)證的首選工具。如NASA 2017年的試驗(yàn)項(xiàng)目包括高分辨率恒星光譜儀原理樣機(jī)試驗(yàn)，地球植被健康監(jiān)控技術(shù)、空間高能粒子捕獲技術(shù)的可行性驗(yàn)證試驗(yàn)，火星車技術(shù)、鏡頭艙門防水技術(shù)、電子系統(tǒng)回收技術(shù)、碳納米管的試驗(yàn)，以及新降落傘在低密度、超聲速環(huán)境下的測(cè)試驗(yàn)證等[11-14]。探空火箭上的飛行試驗(yàn)為NASA在空間站任務(wù)、深空探測(cè)任務(wù)、新型有效載荷的發(fā)展方面儲(chǔ)備了技術(shù)，為空間科學(xué)探測(cè)思想和計(jì)劃的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)[15]。

科學(xué)探測(cè)是探空火箭的另外一項(xiàng)重要任務(wù)[16]。探空火箭型號(hào)的配備取決于探測(cè)目標(biāo)對(duì)飛行高度、姿態(tài)等的具體要求。NASA最近兩年主要進(jìn)行的科學(xué)探測(cè)飛行試驗(yàn)主要有：高層大氣擾動(dòng)觀測(cè)、采用試劑噴射制造人造云進(jìn)行的大氣粒子探測(cè)、極光的原位探測(cè)、恒星之間的氣體和顆粒物質(zhì)的探測(cè)、太陽(yáng)極紫外光譜的觀測(cè)、空間暗黑地帶探測(cè)等[17-19]。在2014年12月探空火箭飛行任務(wù)中搭載的FOXSI(Focusing Optics X-ray Solar Imager)儀器探測(cè)到了一些名為Nanoflares的小型太陽(yáng)耀斑的新證據(jù)[20]。2012年發(fā)射的探空火箭上搭載的高分辨率日冕成像儀發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)磁尾拋射現(xiàn)象[21]。

另外，NASA曾進(jìn)行多次探空火箭與SOHO、TRACE、STEREO等在軌衛(wèi)星上的高分辨率光學(xué)載荷的比對(duì)試驗(yàn)[22]。并且從2013—2017年連續(xù)5年，每年發(fā)射一枚極紫外光譜標(biāo)定火箭，為老化的SDO(Solar Dynamics Observatory)衛(wèi)星標(biāo)定數(shù)據(jù)，借此延長(zhǎng)衛(wèi)星的有效使用壽命。

教育和培訓(xùn)也是探空火箭項(xiàng)目的一項(xiàng)重要任務(wù)。在校大學(xué)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(wù)獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，成為后備人才[23]。為此，NASA啟動(dòng)了專為學(xué)生有效載荷試驗(yàn)的RockSat-X計(jì)劃。RockSat-X分為3個(gè)階段：第一階段為RockOn，參與者接受關(guān)于在亞軌道火箭上進(jìn)行科學(xué)有效載荷飛行所需的基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)[24]；在RockOn階段完成基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)之后，進(jìn)入第二階段RockSat-C階段，參與進(jìn)行載荷和火箭設(shè)計(jì)并進(jìn)行飛行試驗(yàn)；RockSat-X階段的試驗(yàn)為最高級(jí)，飛行高度比前兩個(gè)階段高出約32km，能夠提供更多的飛行時(shí)間[25-28]。

1.2 科學(xué)氣球與可重復(fù)發(fā)射工具

(1)科學(xué)氣球

氣球是氣象探測(cè)和科學(xué)觀測(cè)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(cè)面懸掛與外部相通的管道，空間持續(xù)飛行時(shí)間一般為2h～3d，飛行高度可達(dá)38km，載荷質(zhì)量可達(dá)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(huì)增加，持續(xù)飛行時(shí)間比零壓氣球長(zhǎng)，最長(zhǎng)飛行時(shí)間可達(dá)100天，飛行高度可達(dá)40km，載荷質(zhì)量可達(dá)454kg。為了推進(jìn)科學(xué)觀測(cè)和研究，NASA專門設(shè)立了科學(xué)氣球飛行項(xiàng)目，該項(xiàng)目由弗吉尼亞州的Wallops飛行設(shè)施機(jī)構(gòu)管理，在35年的運(yùn)營(yíng)中已推出了1700多種科學(xué)氣球。

氣球也是進(jìn)行地球大氣、地磁活動(dòng)等探測(cè)的重要手段之一[30]。2013年，NASA在南極發(fā)射了20個(gè)氣球組成的陣列，每個(gè)氣球攜帶的有效載荷質(zhì)量約為20kg，飛行高度為30km～35km，主要目的是對(duì)范·愛倫帶以及地磁活動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)[31]，氣球陣列與其他航天器在觀測(cè)方位上共軛，彼此之間可直接進(jìn)行觀測(cè)結(jié)果的比較。2017年10月，采用氣球搭載的科學(xué)載荷對(duì)地球大氣中的宇宙射線進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[32]。

由于氣球能夠在地球大氣層之上進(jìn)行“懸停”式觀測(cè)，并能夠通過通信鏈路向地球直播，是空間事件實(shí)時(shí)觀測(cè)的重要工具。2017年8月21日，美國(guó)發(fā)生99年一遇的日食現(xiàn)象，NASA為此發(fā)射了高空氣球，向全世界進(jìn)行了日食過程的視頻直播。

氣球也是進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證的手段之一。如NASA的宇宙射線能量和質(zhì)量研究項(xiàng)目(Cosmic-Ray Energetics and Mass investigation, CREAM)，將氣球作為空間儀器開發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)，為國(guó)際空間站的有效載荷提供飛行驗(yàn)證[33]。

氣球能夠搭載幾kg至上百kg的質(zhì)量，是對(duì)學(xué)生載荷進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證的重要方式。如BalloonSAT探索計(jì)劃就是一項(xiàng)于2004年開始的學(xué)生培訓(xùn)計(jì)劃，每年進(jìn)行一到兩次氣球發(fā)射試驗(yàn)，攜帶光和溫度傳感器、宇宙射線探測(cè)器、電場(chǎng)擾動(dòng)探測(cè)儀、氣凝膠顆粒物質(zhì)、種子等試驗(yàn)載荷和相機(jī)。Bag Ballon計(jì)劃采用學(xué)生建造的熱氣球模型，研究加熱對(duì)氣體的作用機(jī)理等。

(2)可重復(fù)發(fā)射工具

Zero-G公司的拋物線飛機(jī)和亞軌道發(fā)射工具Xombie是NASA常用的可重復(fù)發(fā)射工具[34]，具有可重復(fù)性使用、發(fā)射成本低的特點(diǎn)。除了具有空間運(yùn)輸?shù)淖饔猛猓€可以搭載有效載荷進(jìn)行短時(shí)微重力試驗(yàn)，攜帶的有效載荷質(zhì)量可達(dá)幾百至上千kg。

2013年，NASA選擇了21種有效載荷在可重復(fù)發(fā)射工具上進(jìn)行了100多項(xiàng)技術(shù)的飛行試驗(yàn)，包括cube-sat技術(shù)和行星探索任務(wù)中的新型傳感器技術(shù)。其中包括14種新型載荷搭載拋物線飛機(jī)進(jìn)行失重條件下的試驗(yàn)，2種載荷搭載亞軌道可重復(fù)發(fā)射工具進(jìn)行試驗(yàn)，3種載荷在20km的高軌氣球上進(jìn)行試驗(yàn)，1種載荷分別搭載拋物線飛機(jī)和亞軌道可重復(fù)發(fā)射工具進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，另外1種載荷分別搭載亞軌道可重復(fù)發(fā)射工具和高軌氣球進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 飛行機(jī)會(huì)計(jì)劃(FOP)與TRL評(píng)估

20世紀(jì)90年代，美國(guó)大量的武器裝備和航天項(xiàng)目研制過程中出現(xiàn)了經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重超支、工期延誤、指標(biāo)降低甚至中途下馬的現(xiàn)象。經(jīng)過大量案例分析后發(fā)現(xiàn)，一些重要技術(shù)尚未成熟到一定程度就進(jìn)入工程研制階段是導(dǎo)致項(xiàng)目出現(xiàn)嚴(yán)重問題的重要原因[35]。1999年，美國(guó)總審計(jì)署發(fā)布了一份影響深遠(yuǎn)的報(bào)告，建議美國(guó)國(guó)防部采用NASA的技術(shù)成熟度分級(jí)TRL (Technology Readiness Levels)評(píng)價(jià)機(jī)制[36]。2005年，美國(guó)國(guó)會(huì)對(duì)NASA重大系統(tǒng)的開發(fā)合同進(jìn)行立法，明確要求其技術(shù)成熟度應(yīng)達(dá)到TRL6級(jí)[37-39]。為此，NASA負(fù)責(zé)空間技術(shù)研究與管理的機(jī)構(gòu)-空間技術(shù)任務(wù)局STMD (Space Technology Mission Directorate)專門制定了一系列計(jì)劃[40]，用于技術(shù)成熟度的提升和驗(yàn)證工作?！帮w行機(jī)會(huì)計(jì)劃”FOP(Flight Opportunities Program)[41-42]是其中之一，目的是為試驗(yàn)對(duì)象提供TRL4～TRL7級(jí)的空間環(huán)境下的短時(shí)飛行試驗(yàn)。

圖3 NASA TRL 驗(yàn)證的相關(guān)計(jì)劃Fig.3 NASA TRL ranges of program

由于能夠發(fā)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(chǎng)、重力場(chǎng)等的作用，滿足技術(shù)成熟度評(píng)估中TRL7級(jí)(系統(tǒng)原型在太空環(huán)境中獲得驗(yàn)證)對(duì)太空環(huán)境試驗(yàn)條件的要求，探空火箭、高空氣球、特種飛機(jī)等短時(shí)飛行試驗(yàn)工具成為FOP計(jì)劃中進(jìn)行各類新型載荷設(shè)備、空間站設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)可行性驗(yàn)證的首選工具。為保證計(jì)劃的順利、持續(xù)實(shí)施，F(xiàn)OP設(shè)置了相對(duì)固定的經(jīng)費(fèi)支持，如2018年探空火箭項(xiàng)目的財(cái)政預(yù)算為5900萬(wàn)美元，氣球項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)預(yù)算為3730萬(wàn)美元，后續(xù)幾年逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)。在FOP計(jì)劃的持續(xù)穩(wěn)定支持下，NASA利用空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具進(jìn)行了高頻次的科學(xué)探測(cè)和技術(shù)試驗(yàn)工作。表1為最近進(jìn)行的探空火箭飛行試驗(yàn)任務(wù)統(tǒng)計(jì)情況，涵蓋了NASA空間科學(xué)的最新研究領(lǐng)域，為新概念、新技術(shù)的驗(yàn)證提供了大量機(jī)會(huì)，為后續(xù)探索計(jì)劃的提出和工程實(shí)施儲(chǔ)備了技術(shù)[43]。

3 我國(guó)空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具的發(fā)展展望

3.1 研究基礎(chǔ)與現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行火箭探空技術(shù)的研究[5]，90年代開始進(jìn)行衛(wèi)星返回技術(shù)的研究[6]，探空火箭、氣球、返回式衛(wèi)星等飛行試驗(yàn)平臺(tái)在鄰近空間環(huán)境研究、空間氣象探測(cè)、材料試驗(yàn)、微重力及生命科學(xué)試驗(yàn)等方面發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)了空間環(huán)境觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)、微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)與技術(shù)、有效載荷技術(shù)、元器件保障等試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于任務(wù)響應(yīng)快、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，無人機(jī)也逐漸成為一種常用的短時(shí)飛行試驗(yàn)工具。

至20世紀(jì)末，我國(guó)已發(fā)射了近300枚各類型探空火箭。1958—1970年期間，中國(guó)發(fā)射使用的探空火箭主要有兩個(gè)系列：以液體發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力裝置的T-7系列和以固體發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力裝置的HP系列，使用的發(fā)射場(chǎng)是位于安徽省廣德縣的華東火箭發(fā)射基地和位于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的探空火箭發(fā)射場(chǎng)。1988年12月，中科院在海南西海岸建成了中國(guó)第一座用于科學(xué)研究的探空火箭發(fā)射場(chǎng)，該發(fā)射場(chǎng)是世界上少數(shù)幾個(gè)靠近赤道的火箭發(fā)射基地之一，同年，在此發(fā)射了4枚“織女一號(hào)”火箭，進(jìn)行了低緯度地區(qū)的高空氣象探測(cè)。1991年，在此發(fā)射了2枚“織女三號(hào)”探空火箭，分別進(jìn)行147km和127km以下空域的大氣探測(cè)和高空物理探測(cè)，獲取了寶貴的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)；在“子午工程”一期項(xiàng)目的支持下，于2011年5月在海南發(fā)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(qū)的大氣和電離層數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步研究中高層大氣和電離層中的動(dòng)力學(xué)過程，建立地磁活動(dòng)和太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)無線電、光學(xué)等影響的物理模型奠定了基礎(chǔ)；2013年和2016年，在海南再次進(jìn)行了兩次探空火箭發(fā)射試驗(yàn)任務(wù)，對(duì)電離層、近地空間高能粒子、磁場(chǎng)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位探測(cè)，獲取了300km以下高度的空間環(huán)境垂直分布的第一手探測(cè)數(shù)據(jù)，為研究電離層、地磁、宇宙線、太陽(yáng)紫外線和X射線、隕塵等多種日-地物理現(xiàn)象積累了經(jīng)驗(yàn)。2016年以來，隨著國(guó)內(nèi)商業(yè)航天的快速發(fā)展，涌現(xiàn)了一批民營(yíng)火箭公司，為空間短時(shí)飛行試驗(yàn)提供了更多的機(jī)會(huì)。2018年4月在海南發(fā)射的“雙曲線一號(hào)”探空火箭和5月在內(nèi)蒙古阿拉善盟發(fā)射的“重慶兩江之星”探空火箭，發(fā)射高度分別達(dá)到108km和38.7km，進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證和空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

但總體來看，我國(guó)現(xiàn)階段空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具的發(fā)射數(shù)量和發(fā)射頻次與NASA相比仍然具有一定的差距。

3.2 發(fā)展展望

可喜的是，我國(guó)的空間科學(xué)和空間技術(shù)呈現(xiàn)出一種競(jìng)相創(chuàng)新的發(fā)展形勢(shì)，新的探測(cè)思想層出不窮，新技術(shù)、新方法、新原理接踵而至。在這些新思想、新技術(shù)、新方法、新原理能夠達(dá)到實(shí)際工程任務(wù)應(yīng)用的要求之前，需要進(jìn)行一段時(shí)間的培育和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。模擬環(huán)境或真實(shí)空間環(huán)境試驗(yàn)條件下的飛行試驗(yàn)是對(duì)這些培育項(xiàng)目和技術(shù)攻關(guān)課題的實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估的首選條件。而空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具作為一種響應(yīng)快速的飛行試驗(yàn)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(chǎng)、重力場(chǎng)等的作用，彌補(bǔ)地面模擬試驗(yàn)中存在的不足，在新材料和新技術(shù)驗(yàn)證、空間科學(xué)事件的機(jī)動(dòng)觀測(cè)、新型探測(cè)載荷的培育等方面具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

因此，我國(guó)應(yīng)抓住空間科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的良好機(jī)遇，在已有探空火箭、氣球、返回式航天器發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過持續(xù)穩(wěn)定的引導(dǎo)和支持，發(fā)展一定數(shù)量的空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具，為新技術(shù)和新材料驗(yàn)證、科學(xué)觀測(cè)、教育培訓(xùn)等提供平臺(tái)和機(jī)會(huì)，加快成果產(chǎn)出和后備人才培養(yǎng)。

具體可從以下幾方面著手：

(1)新技術(shù)、新材料試驗(yàn)與評(píng)估

空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具的飛行高度可達(dá)到幾百km甚至上千km，能夠克服地球表面大氣對(duì)光的散射和折射作用，可以為光學(xué)及太陽(yáng)觀測(cè)類有效載荷提供真實(shí)的空間試驗(yàn)環(huán)境，為力學(xué)、生命科學(xué)等微重力探測(cè)類有效載荷提供微重力試驗(yàn)條件，為行星著陸器、降落返回裝置、通信系統(tǒng)等有效載荷提供高動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)條件。既能作為新技術(shù)、新材料試驗(yàn)驗(yàn)證以及促進(jìn)技術(shù)成熟度從TRL6級(jí)升級(jí)到TRL7級(jí)的重要平臺(tái)，還可以作為國(guó)產(chǎn)元器件在特定空間環(huán)境條件下的飛行試驗(yàn)平臺(tái)。

(2)科學(xué)探測(cè)

空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具能夠?yàn)?000km以下高度的垂直飛行式探測(cè)和“懸?！笔接^測(cè)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，符合太陽(yáng)觀測(cè)、空間環(huán)境、地磁活動(dòng)、空間磁場(chǎng)等類型有效載荷的短時(shí)探測(cè)需求，并且由于發(fā)射響應(yīng)快，非常適合于即時(shí)性空間事件的觀測(cè)，如日食、太陽(yáng)黑子爆發(fā)等?？砂l(fā)展適合于不同科學(xué)探測(cè)需求的空間短時(shí)飛行試驗(yàn)平臺(tái)，形成系列，實(shí)現(xiàn)按需飛行。

(3)在軌對(duì)比試驗(yàn)

隨著衛(wèi)星壽命的延長(zhǎng)，由于長(zhǎng)期在軌運(yùn)行工作及器件老化等原因，有效載荷設(shè)備可能發(fā)生技術(shù)狀態(tài)的偏離，從而影響指標(biāo)的靈敏度及科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性?？梢岳每臻g短時(shí)飛行試驗(yàn)工具將該載荷設(shè)備的備份件或等效替代件發(fā)射到相應(yīng)高度，以對(duì)在軌飛行件的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)和校準(zhǔn)。也可以采取空間共軛或編隊(duì)飛行的方式，同時(shí)發(fā)射多發(fā)短時(shí)飛行試驗(yàn)工具，進(jìn)行協(xié)同式、比對(duì)式試驗(yàn)。

(4)教育和培訓(xùn)

在校大學(xué)生、高中生、科技愛好者們提出了很多創(chuàng)新性的概念，通過一些科技創(chuàng)新課題和競(jìng)賽項(xiàng)目的支持，完成了模型研究工作?？臻g短時(shí)飛行試驗(yàn)工具可以為學(xué)生載荷提供真實(shí)的空間飛行試驗(yàn)機(jī)會(huì)，推動(dòng)創(chuàng)新思想的發(fā)展。在有效載荷培育過程中，成長(zhǎng)的年輕科學(xué)家們可以通過參與空間短時(shí)飛行試驗(yàn)任務(wù)，經(jīng)歷實(shí)踐鍛煉和實(shí)際項(xiàng)目的管理培訓(xùn)，成為儲(chǔ)備人才。

(5)特殊項(xiàng)目驗(yàn)證

空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具由于成本低、見效快、可回收，可以作為一些特殊項(xiàng)目，如發(fā)動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、降落系統(tǒng)、回收系統(tǒng)等的演示、驗(yàn)證工具。

(6)成本控制和項(xiàng)目管理

在新技術(shù)培育過程中，技術(shù)成熟度評(píng)估把關(guān)是確保工程實(shí)施階段順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)?？臻g短時(shí)飛行試驗(yàn)工具可以作為技術(shù)狀態(tài)評(píng)估把關(guān)的手段，輔助成本控制和項(xiàng)目管理，加快工程任務(wù)的順利實(shí)施。

3.3 示范案例

結(jié)合我國(guó)空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具的發(fā)展基礎(chǔ)與目前迫切的應(yīng)用需求，采用無人機(jī)+氣球+探空火箭的組合式試驗(yàn)方案不失為一種切實(shí)可行的方法，并可實(shí)現(xiàn)按照有效載荷的飛行試驗(yàn)對(duì)高度和飛行姿態(tài)的要求配置飛行試驗(yàn)工具，如圖4所示，當(dāng)飛行高度在10km以下時(shí)，可采用無人機(jī)作為飛行試驗(yàn)工具，實(shí)現(xiàn)垂直飛行、平行飛行、組陣飛行、翻滾飛行等多種飛行狀態(tài)；當(dāng)飛行高度在35km以下時(shí)，主要采用氣球作為飛行試驗(yàn)工具，實(shí)現(xiàn)“懸停”式科學(xué)觀測(cè)、拋射試驗(yàn)以及垂直著陸試驗(yàn)等；當(dāng)飛行高度在35km以上時(shí)，主要采用探空火箭等飛行工具，實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境試驗(yàn)、微重力試驗(yàn)等。

圖4 空間科學(xué)載荷短時(shí)飛行試驗(yàn)方案Fig.4 Short Term Flight Plans of Space Science Payloads

通過無人機(jī)+氣球+探空火箭3種類型的短時(shí)飛行試驗(yàn)工具的組合式試驗(yàn)方法，可為有效載荷提供從地面至1000km高空的飛行試驗(yàn)機(jī)會(huì)，不僅可以突破地球大氣環(huán)境的影響，而且飛行任務(wù)的準(zhǔn)備周期較短，飛行成本相對(duì)較低。

4 結(jié)論

空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具具有快響應(yīng)、低成本、高效率的特點(diǎn)，在美國(guó)、日本、歐洲的有效載荷培育和技術(shù)驗(yàn)證過程中發(fā)揮了重要作用，為未來探測(cè)思想的提出和探測(cè)任務(wù)的實(shí)施儲(chǔ)備了技術(shù)。我國(guó)具有發(fā)展空間短時(shí)飛行試驗(yàn)工具的良好基礎(chǔ)，在目前空間科學(xué)和技術(shù)快速發(fā)展的形勢(shì)下，加強(qiáng)引導(dǎo)和持續(xù)支持，使其成為新技術(shù)驗(yàn)證和評(píng)估、科學(xué)探測(cè)、人才培養(yǎng)的綜合試驗(yàn)平臺(tái)，將會(huì)在新型探測(cè)載荷培育、科學(xué)成果產(chǎn)出、技術(shù)和人才儲(chǔ)備方面發(fā)揮重要作用。