[科普中国]-高空气球

特点

高空气球具有飞行高度高，成本低，准备周期短，易于灵活实施等其他飞行器所不具备的特点。世界上一些发达国家从六、七十年代起相继开始大规模的发展高空气球技术， 使气球成为一种与火箭、人造卫星等飞行器并驾齐驱的进行大气和空间科学研究的运载工具。高空气球的球体，大都用高压聚乙烯材料所作的球膜经热压熔焊制成，膜厚仅20μm 左右，其低温性能和抗拉伸强度却非常好。为提高载重能力，大型气球沿其母线还加有尼龙加强筋。球体形状多为自然形，采用所谓零压式，即在球体下部留有排气管使内外相通，压差为零，用以防止气球升空后球内压力增大把气球涨破。气球内部充以氢气，有的充以氦气。氢气的浮力大、价格低廉，但易燃易爆，必须在严密的安全措施下使用。氦气的浮力比氢气小，安全，但价格昂贵，不宜大量使用。气球的体积根据载重能力和升限的要求不同而定，载重量越大，升限越高，要求体积越大。一般，由几千立方米到几十万立方米，甚至超过百万立方米；载重量由几十公斤到上百公斤，甚至超过一吨；升限在35~45km，及至超过50km。1

分类广义的高空气球包括传统的零压式自然形气球、大型超压气球、小型超压气球、红外热气球以及其他飞行于平流层的无动力浮空器。

零压式气球传统零压开放充氦气球是目前最主要的平流层气球平台。包括常规飞行和长时间飞行两种模式。飞行高度30～40km，体积50000～1200000m3；有效载荷100—3000kg；常规飞行时间控制在一天以内，长时间飞行能达到数周，适合大载荷、高海拔的任务，如宇宙线观测、光谱分析和航天试验等。

美国的零压式气球已经成为一种科研服务产业。至今已发放了2000多只零压式气球，服务对象包括了35所大学、23个代理研究机构和33个国外组织。近年来平均每年大约有10～20项高空气球试验，其中包括每年1～2个在南极进行的长时间飞行项目。

法国的CNES是欧洲唯一拥有完整高空气球系统的机构，是欧洲气球活动的中心。能制造120万立方米的大型零压气球，在北欧、巴西、南极都有实验基地，与欧洲各国合作紧密。

日本也是较早建立高空气球系统的国家之一。每年的气球试验数量为10～15次，包括本土三陆气球站实验3—6次，其余为与美国或法国合作进行的在本土以外的飞行试验。2

大型超压气球大型超压气球指的是载荷能力和零压气球相当的超压封闭气球。随着20世纪90年代长时间飞行零压气球LDB的成功运用，美国的气球技术积累已经达到了一定程度，如球体结构设计，长时间飞行的热分析，长时间数据通信与定位跟踪等，然而用零压气球进行长时间飞行要借助极昼和环流，受纬度和季节限制，难以实现更长时间的飞行。1996年沃勒普斯飞行中心(WFF)正式向NASA总部申请了ULDB计划，提出了100天持续飞行的最终计划，计划有效载荷在1．5t以上，飞行高度35km，外形采用南瓜形，目前正在进行17万立方米样球的试飞。ULDB是具有空间飞行性质的综合系统，相信它的研制成功会大大促进平流层技术的进步。2

小型超压气球小型超压气球指的是携带小型传感器的超压气球，通常有效载荷不超过20kg，飞行高度在20km左右。早在20世纪60年代，美国就进行过大规模的小型超压气球试验。小型超压气球飞行时间长，数据规模大。例如，2005年的Vorcore是法国在南极进行的一项研究南半球极地平流层涡旋的气球实验。在3个月间，共发放了27只超压气球，74%的气球飞行了3个月以上，累积飞行时间为1575天。

小型超压气球的特点适合大面积收集大气信息，在环境科学、地球物理和行星探索领域能发挥重要作用。2

红外热气球红外热气球(MIR)是法国研制的一种长时间飞行气球。1977年由法国国家科学研究中心CNRS提出概，CNES设计，气球体积为4万立方米左右，载荷60kg，球体为自然形。利用白天的太阳辐射和夜间地球反照辐射加热球内气体，产生浮力。球体由上下两个不同材料的半球组成，上半部分使用镀铝聚酯薄膜，形成一个空腔以吸收地面红外反照辐射，同时阻止球内气体向外界发出热辐射；下半部分使用线性聚乙烯薄膜，对红外线透明，能抵抗球内外温差(80℃)。2

结构组成高空科学气球系统的构成包括球体、吊舱等，球体内充以浮升气产生浮力，切割器用在实验结束后分离球体。球体和系统分离后，由降落伞把系统的其余部分安全地降落到地面上，以便回收。角反射器的作用是反射地面雷达波以便于识别和跟踪，探空仪不断探测大气的温度、湿度、压力等气象要素，并由无线电发射机发回到地面，由地面测风雷达接收并记录，同时也便于地面雷达天线跟踪。信标机的作用是在吊舱等设备降到地面后发出无线电信号以引导回收人员进行回收。根据不同实验的需要，实验吊舱内可安装各种仪器仪表，并安装有遥测发射机、遥控指令接收机和相应的终端设备等。

利用高空气球进行科学实验，一般由制定计划、装配吊舱、设备调试、现场联调、气球发放、空中飞行、切割降落、地面回收等许多环节组成。

气球发放必须在专用场地进行。发放方法有静态、动态和软式发放等几种。静态发放是把实验吊舱置于地面或平板拖车上，调整好吊舱与气球的相对位置和距离，在风比较小时使吊舱尽可能垂直起飞。此法使用的设备简单，但不很安全，动态法比较安全，但需要专用吊车和较大的发放场地。软式发放是先用一个辅助气球把吊舱吊起并系留地面，待主气球起飞后再释放辅助气球，当绳缆拉直后两者自动脱离，此法安全，不需大场地，但辅助气球必须充氦气。发放气球还需配有专用的充气设备，由于高空空气稀薄，气压很低，一般几十万立方米 体积的气球，在地面只需充几百立方米 的浮升气，当升入高空后即可被涨满。为了控制气球的高度和升速，在气球顶部装有排气阀，吊舱内装有压舱物（铁砂等），由地面指令控制排气阀开关或抛砂，达到控制气球的高度来控制其飞行方向（高空各层风向不同）。气球起飞后，可由地面的遥测、遥控设备进行跟踪和控制，随时测量气球的位置，并计算出它的高度和水平距离。

遥测系统包括球上设备（遥测终端、遥测发射机）和地面设备（遥测天线及驱动系统、遥测接收机、遥测接收终端、记录设备等），该系统的作用是把观测到的科学数据或实验数据由无线电信道传到地面。一般快速续信号的传送采用FM-FM遥测体制，较慢的信号或者工程参数采用PCM-△PSK-FM体制，两种体制也可混合使用。连续信号可由笔录仪进行记录，数字信号大都通过计算机进行采集和处理。

遥控系统包括指令操作台、指令发射机、遥控天线及随动系统、气球上的遥控指令接收机、指令终端及执行机构等。本系统的功能是控制气球的飞行和观测设备的动作，或对科学实验设备及过程进行控制。

跟踪定位系统主要由地面天线及测角、测距等设备组成。地面跟踪天线可以自动跟踪气球，天线的方位角和仰角可通过测角系统传递到计算机进行采集和记录，气球到地面站的直线距离是通过利用遥测、遥控信道传输测距音频并测量其传输相移来进行测量的，知道了气球的方位、仰角和距离，就可计算出它的高度，这样就可以随时掌握气球在空中的位置以及切割后下降到地面的大致区域。

空中观测或实验任务完成后，由地面人员发出指令，使球体与系统分离，由降落伞带着吊舱等设备落到地面，同时信标机发出无线电波引导回收人员进行回收。

发展历程国内可进行高空气球发放任务的机构是由原中科院高能物理所的气球中心和光电研究院合作成立的气球飞行器研究中心，该中心从事高空气球的研究和发放工作已经有几十年的历史，是目前国内高空科学气球领域的先驱和主导。中国科学院的气球中心从70年代末开始发展高空气球，于1984 年建成了我国唯一的高空科学气球系统并开始应用于科学观测和研究。系统包括气球研制和发放、遥测遥控和定位跟踪、实验舱姿态控制、实验设备回收、气体储运设备、气象保障和地面勤务通信等。气球体积最大达 5 万立方米，最大载荷重量250 公斤，飞行高度32 - 34公里 ，气球的滞空时间3 - 5小时。该项目于1985 年获得国家科学进步二等奖。

经过二十年的发展，目前该中心的高空气球技术已经比较成熟并达到一定的水平。气球体积形成了从 3 万立方米到40万立方米的系列，最大可制造60万立方米的气球，发放能力达到2000公斤，飞行高度 40 公里 。 1990 年实现了从我国北方到俄罗斯西南部的长时间飞行，飞行时间 72 小时，飞行距离四千余公里。 同时我们还具有实施中小规模气球系统的流动发放的能力。二十几年来该院的高空科学气球系统应用于多学科的实验研究，包括宇宙线、空间硬X 和γ 射线天文、红外天文、空间物理和太阳物理、平流层和中层大气物理、遥感、微重力科学、空间生物和遗传等领域。现在各国正在研究和发展的超压气球，不同于传统的零压气球，由于飞行持续时间可长长达几十天甚至上百天，并且飞行高度稳定，因此不仅是NASA目前超长时飞行气球项目的主要研究对象，也是将来高空气球应用和发展的一个重要方向。目前光电研究院的气球飞行器研究中心也正在进行超压气球的研究工作，并在几年内开展有关实验和飞行工作。