摘要：近日，世界经济论坛发布了《2024年度十大新兴技术》报告。该系列报告借鉴了全世界科学家、研究人员和未来学家的见解，旨在确定有望对社会和经济产生重大影响的技术。报告公布的2024年十大新兴技术包括：用于科学发现的人工智能、隐私增强技术、可重构智能超表面技术、高空
近日，世界经济论坛发布了《2024年度十大新兴技术》报告。该系列报告借鉴了全世界科学家、研究人员和未来学家的见解，旨在确定有望对社会和经济产生重大影响的技术。报告公布的2024年十大新兴技术包括：用于科学发现的人工智能、隐私增强技术、可重构智能超表面技术、高空平台站、通信感知一体化技术、用于建筑的沉浸式技术、弹热技术、碳捕获微生物技术、替代性牲畜饲料技术、移植基因组学技术。
相比起人工智能、碳捕获等热门技术，高空平台站可能并不为大多数人所熟知，那么能够被列入十大新兴技术的高空平台站究竟是何方神圣呢？
高空平台站渲染效果图（图片来源：世界经济论坛）
高空平台站 （HAPS，High Altitude Platform Station） 是一种在平流层高度运行的飞行平台，距离地球约20公里以上。 它们通常以气球、飞艇或固定翼飞机的形式出现，可以运行数月，为观测和通信等任务提供了一个稳定的平台。HAPS可以实现卫星和地面塔都无法比拟的连接、覆盖和性能增强，特别是在山区、丛林或沙漠等地形困难的地区。
不同类型的高空平台站示意图
（图片来源：University of York）
什么是临近空间？
高空平台运行的高度在临近空间，这里首先要介绍一下临近空间的概念。
临近空间，通常指距地面20-100km的空域，介于飞机与空间飞行器运行高度之间。 因为存在空气稀薄、臭氧、紫外、辐射等特殊环境，常规航空空域运行的飞机无法在临近空间高度长时间稳定飞行，而航天器因为空气阻力的原因，也很难在临近空间保持轨道运行，所以临近空间在传统意义上是飞机和卫星的禁区。
不过，因为处于航空和航天的过渡区域，临近空间成为上可制天，下可制空、制地、制海的新空域，是一个独立于航空空间和航天空间之外的新高地，具有极高的战略价值。使用临近空间飞行器作为载体和平台，对临近空间继续开发和应用一直是各国研究关注的热点。
临近空间示意图
临近空间飞行器有多个类型，按照飞行速度是否大于1马赫，可划分为 高速飞行器 和 低速飞行器 。
临近空间飞行器分类
这里我们着重介绍 临近空间低速飞行器 。此类飞行器自身能耗低，并可持续利用太阳能为电池充电，达到能源循环的效果，从而可以长期驻空飞行，执行高空对地观测、环境监测、通信中继等任务。
临近空间低速飞行器主要包括高空太阳能无人机和两款浮空飞行器，分别是平流层飞艇和高空气球。
提到浮空飞行器，大家可能觉得很陌生，其实浮空飞行器就是以空气浮力作为升力（或主要升力，例如飞艇还有动力机构提供推力和气动升力）的一类飞行器，最主要的特点就是 填充了轻于空气的气体来产生浮力 （例如氦气、氢气或者热空气）。大家最熟悉的热气球就是一种典型的浮空飞行器。
热气球就是一种典型的浮空器
（图片来源：veer图库）
平流层飞艇 是一种在平流层工作（一般飞行高度在18-21km之间），依靠动力推进实现飞行控制的浮空器。由于在工作高度上与临近空间高度（海拔20～100km）有所重叠，有时也称为临近空间飞艇。
Sceye平流层飞艇
（图片来源：https://sceye.com/）
高空气球 是采用耐低温低密度聚乙烯材料制作而成的大型自由气球，是目前唯一能在20-50km的临近空间高度（特别是平流层的上部）长时间滞空的浮空器，能够为实施大型空间科学计划进行科学思想、仪器原理、技术方法的有效的低成本验证。传统的高空气球为零压式气球，球体为开放式结构，有纵向加强带，底部有排气管，一般飞行时长控制在1天左右；近年来，南瓜型超压气球因为采用了特殊的密闭结构，可承受较高内压，从而具备超长航时的能力，相关技术得到了快速的发展。
零压式高空气球（图片来源：作者自制）
超压气球（图片来源：作者自制）
高空平台站性能大比拼
上面介绍了三种临近空间低速飞行器，一些国外学者把它们统称为 高空平台站 （HAPS）。高空平台站还有一个名字是“高空伪卫星”，因为它们理论上可以像静止轨道卫星一样在某个区域上空长期驻留，同时因为驻空高度只有20km左右，对地观测时可以获得较高的空间分辨率，同时又兼顾了大覆盖范围，可以说 兼具了卫星和飞机的优点 。
（图片来源：参考文献[4]）
对于高空平台站包括的三类飞行器，下面我们从续航时间、载重能力、驻空高度、可控飞行能力4个方面进行性能对比。
首先关于续航时间，前面已提过，临近空间低速飞行器最大的特点就是可以利用太阳能作为循环能源长期驻空飞行，这里我们直接用数字说话：
太阳能无人机方面，空客的 Zephyr S无人机 2023年9月刚刚创下了飞行64天的新纪录，差点超过了一项古老的飞机连续飞行记录（这是罗伯特·蒂姆和约翰·库克在1959年创下的纪录。他们驾驶塞斯纳172从一辆行驶中的卡车上加油，飞行全程历时64天22小时19分钟，行程约15万英里。）
创造记录的Zephyr S无人机
（图片来源：EUROCONTROL）
高空气球方面，必须派出“新锐选手”—— 超压气球 来进行续航时间的比拼。Google的Loon项目的超压气球在2021年连续驻空飞行336天，创造了目前高空气球最长飞行时间的记录。
Loon超压气球发放
（图片来源：The Economic Times）
平流层飞艇的续航时间缺少公开的报道，最近飞行试验频繁的美国Sceye公司提出的驻空时间目标是65天。
在续航时间方面，浮空器略胜一筹。
在载重能力方面，目前飞行时长最长的Zephyr S无人机载重只有5kg。Loon的超压气球载重量可以轻易达到25-50kg，而NASA的ULDB（Ultra Long Duration Balloon）计划设计的大型超压气球最大载重能力接近1吨，美国sceye平流层飞艇的载重能力在100kg以上。浮空器阵营完胜太阳能无人机，载重能力也的确是后者的最短板。
在驻空高度方面，虽然某些太阳能无人机具有在较高海拔飞行的能力，例如NASA的太阳神无人机曾经达到过29.5km的高度，但由于夜间能源不足，太阳能无人机需要用势能换取动能，逐步盘旋滑翔降低高度，所以它的驻空高度的稳定性就不如浮空器。后者只要保持浮力和重力平衡就能够维持稳定的飞行高度，因此在执行某些需要保持高度进行大范围覆盖的任务时，具有明显的优势。
“太阳神”无人机
（图片来源：NASA）
高空太阳能无人机昼夜任务剖面示意图
（图片来源：参考文献[9]）
超压气球和零压气球飞行高度对比
（图片来源：wikipedia）
在可控飞行方面，平流层飞艇可以和高空太阳能无人机打个平手，超压气球因为是利用风场飘飞的自由气球，这方面属于短板。
综上所述， 浮空器在各个方面与太阳能无人机互有所长，但在载重能力方面具备碾压性的优势。
古老的飞行器，广阔的发展前景
其实，浮空飞行器是一款古老的飞行器，是人类最早开发、使用的航空器。蒙特哥菲尔兄弟发明的热气球最先帮助人类实现了飞行梦想，而热气球的最早雏形甚至可以追溯到1000多年前的孔明灯。
蒙特哥菲尔兄弟热气球
（图片来源：参考文献[9]）
浮空器在飞行原理上有别于其他航空飞行器，在一些特定需求场合能体现出独特的优势，这使得浮空器自诞生以来一直受到关注并得到持续研究和应用。
那么，除了上文提到的平流层飞艇、超压气球这两款临近空间浮空飞行器，还有哪些浮空飞行器类型呢？
按照有无动力，浮空飞行器分为气球和飞艇；按照升空后有无缆绳约束，气球分为自由气球和系留气球。
浮空飞行器基本分类
高空气球和我们常见的热气球、探空乳胶气球等都属于自由气球，那么什么是系留气球呢？
系留气球是缆索栓系的无动力浮空器， 可使用系缆进行供电、通信和高度控制，具有滞空时间长（3-30天），耐候性强，部署简单灵活，造价和维护费用低廉等特点。作为极佳的中低空飞行平台，系留气球有着非常广泛的应用，可以用于对地观测、气象探测、灾害监测、防务监视、应急通信、中继通信、雷达探测、科学考察等领域。 2022年5月，中国科学院空天信息创新研究院研制的“极目一号”III型系留气球创造了驻空高度9050米的世界纪录。
创造9050米驻空高度记录的“极目一号III型”系留气球
（图片来源：中国科学院空天信息创新研究院 屈维摄）
浮空器技术的发展无疑是人类航空科技领域的重大成就之一。随着航空及其他浮空器相关技术的进步和应用需求的变迁，浮空器的性能、设计特点、使命任务、应用环境等都在发生深刻的变化，未来浮空飞行器将向多领域应用、多平台种类和高性能方向发展， 具有广阔的前景。
来源：东窗史谈一点号