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临近空间探测:填补地球空间认知“短板”

来源:科学网 作者:甘晓 2017-11-03 12:00:23
  微观地球万物,瞭望遥远深空,人类已经在认知地球和宇宙的道路上行走得越来越远。然而,仰望天空,仅仅距离地面20至100公里的空域,却是一片尚未被科学家完全认知的空间——“临近空间”。

  10月30日举行的香山科学会议第610次学术讨论会上,中国科学家聚焦临近空间重大科学问题,为加强临近空间的探测、服务国家重大战略提供科学支撑。

  诸多科学问题待解

  临近空间空气稀薄,存在臭氧、紫外、辐射等特殊环境,存在重力波、行星波、大气放电等特殊现象。

  会议执行主席、中科院光电院副院长蔡榕告诉《中国科学报》记者,从科学认知角度看,临近空间对下与中低层稠密大气之间存在紧密的相互耦合关系,对上则通过电离层接受太阳活动的驱动,又反过来影响低电离层的形态。“它对地球大气的整体认知具有重要的学术研究价值。”他强调。

  上世纪中期起,来自美国、欧洲等地的大气科学研究者通过发射卫星,对临近空间的成分、密度、电磁和辐射等关键参数开展了研究。近年来,国内研究者则在地球“第三极”青藏高原,利用球载探空仪观测地面至25公里高度的臭氧、水汽、气溶胶的垂直分布。

  对此,会议执行主席、航天工程大学校长周志鑫院士认为:“目前,相对于其他相邻圈层,我们对这一空间的环境特性和力学特性认知不足,还存在诸多待解的科学问题。”

  例如,在大气科学领域,探索临近空间所涉及的不同大气圈层及其相互的耦合过程,被视为重要的科学前沿;在生命科学领域,生命在临近空间的存在、分布及生命形式的改变,则能更新人们对生物圈、生理生化机理等问题的认识。

  高空科学气球将成“利器”

  飞行器研发是开展临近空间探测的突破口。会议执行主席、中科院院士顾逸东指出:“科学气球是一种重要的手段,也是目前唯一成熟的浮空式临近空间飞行器。”

  当前,美国国家航空航天局(NASA)、法国国家太空研究中心(CNES)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)等机构正利用高空科学气球平台,在临近空间进行科学探测活动。例如,2016年,美国超长航时气球计划(ULDB)已实现南半球中纬度飞行46天,获得大量成果。

  在我国,中科院自1977年开始发展高空科学气球平台和气球科学探测,曾获得大量珍贵科学资料。顾逸东介绍,近年来,中科院临近空间先导专项部署的青藏高原平流层-对流层交换探测、临近空间与电离层耦合探测、临近空间对太阳风暴响应探测等三项重要研究计划,都将科学气球作为主要探测工具。

  与会专家期待,未来,我国高空科学气球在已经成功的40万立方米气球基础上发展至60、80、100万立方米大型高空科学气球和中小型超压气球,并建设新型气球发放与保障设备、移动和固定测控数传地面站和终端等先进适用完备的系统。

  高速飞行器未来可期

  按照飞行速度分类,除了以高空科学气球为代表的低速飞行器外,临近空间高速飞行器的未来也值得期待,并日益成为世界大国关注和争夺的焦点。

  临近空间超声速飞行器依托临近空间独特的空间位置,具有飞行距离远、飞行时间长、飞行速度高等特点。“在军事领域通过配装侦察载荷和武器载荷可形成新型武器装备,在民用领域则可形成远程、高速、大型运输平台。”周志鑫说,“这使临近空间高速飞行器具有广阔的应用前景。”

  据悉,世界各国正致力于临近空间技术攻关和飞行验证,大规模开发利用尚需时日。

  与会科学家一致认为,当前,要抢占临近空间战略高技术制高点,需要将先进航空、航天与新材料等技术融合创新。专家们建议,应加强
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