出品：科普中国
作者：高晓丰 黄宛宁（中国科学院空天信息创新研究院）
监制：中国科普博览
近年来，我国的航天事业取得了蓬勃发展，载人空间站已经完成了在轨建造任务，嫦娥工程完成了“绕、落、回”三大任务，众多天文观测卫星发射成功，取得了令人瞩目的科学成果，天问一号也成功着陆火星，揭开了深空探测新的篇章……你知道吗？在这一系列成果的背后，“气球”也曾发挥了重要的作用。
气球大家都玩过，但是有一种“气球”却非同寻常，它开启了空间科学研究的大门，相关成果两次获得了诺贝尔物理学奖，为众多空间天文卫星的升空立下首功，它就是高空科学气球！
图1 高空科学气球试验相关成果两次获得诺贝尔物理学奖
（图片来源：作者自制）
图2 高空科学气球示意图
（图片来源：作者自制）
研究空间科学为啥非得用“气球”？
回答这个问题，要从空间科学的研究方法说起。
1912年，奥地利物理学家赫斯通过气球试验发现了宇宙线的存在，从那一刻开始，探测来自太空的各种射线，就成为了空间科学研究的重要方法。
图3 赫斯发现宇宙线
（图片来源：作者自制）
但是，在地表能够直接探测到的宇宙射线比较稀少，这是因为地球稠密的大气层会阻挡来自宇宙空间的大部分辐射源，包括红外线、X射线和伽马射线等。如果能够升到地表30km以上，大气的密度就只有海平面的1%，可以直接观测到很多宇宙线和辐射源，科学家们认为这里已经非常接近太空的环境了。
于是，使用能飞到30—40km高的科学仪器进行观测，就成了科学家们的不二选择。
高空科学气球因其工作在临近空间，可以接近太空环境，同时又具有发射成本相比于卫星更加低廉、准备周期短、发放灵活、仪器回收方便等优点，常常可以为实施大型的空间科学计划进行科学思想、仪器原理、技术方法的有效低成本验证。因此，一项又一项重大的航天科研任务背后都出现了高空科学气球的影子。
高空科学气球怎么用？
图4 用高空科学气球开展空间射线的探测
（图片来源：作者自制）
如图4所示，高空科学气球以氦气作为浮升气体，通过球体产生的净浮力携带科学载荷进行高空科学实验。典型的高空科学气球系统由气球球体、降落伞、载荷吊舱三部分组成，如下图所示。
图5 高空科学气球飞行系统组成
（图片来源：作者自制）
与常见的乳胶气球的不同之处在于，为避免高空科学气球在升空与驻空过程中发生破裂，我们需要改变气球的结构。
高空科学气球按照内外压差不同，分为零压式高空科学气球与超压式高空科学气球，零压式高空科学气球为开放式结构，球内外压差接近于0，球体本身无法承受较大压力；超压式高空科学气球则采用封闭式结构，通过特殊的结构设计使其可以承受较大压差。
以传统的零压式高空科学气球为例：发放时，浮升气体并没有完全充满球体的空间，仅在头部聚集了较明显的气泡，高空科学气球的下部还是褶皱的状态。
图6 发放阶段的高空科学气球
（图片来源：作者自制）
此时整个系统浮力大于重力，高空科学气球会自然上升。随着高度升高，外界大气压降低时，球体内部气体开始膨胀。高度越高，大气密度越低，球体排开空气产生的浮力就越小。当到达一个平衡点，浮力等于重力的时候，它不再上升，开始水平飞行。此时它的体积膨胀到最大，呈水滴型。科学仪器一般都是在平飞阶段工作的。
图7 平飞阶段的高空科学气球状态
（图片来源：作者自制）
零压式高空科学气球设计有排气管，当其白天长时间飞行，经受太阳照射后，球体内的氦气温度上升，体积会膨胀，这时候多余的氦气就通过排气管排入大气中，整个系统依然保持浮力和重力的平衡状态。
图8 平飞阶段的零压气球排气管
（图片来源：作者自制）
超压式高空科学气球没有排气管，依靠特殊的南瓜型球体结构设计，它能够承受浮升气体升温带来的压力上升。这样设计的优点是整个昼夜循环都没有浮升气体的损失，可以大幅度增加续航时间。由于昼夜的体积几乎不变，它的飞行高度也非常稳定。
图 9 超压式高空科学气球的外形
（图片来源：作者自制）
图 10 超压式高空科学气球和零压式高空科学气球昼夜飞行高度对比
（图片来源：参考文献6）
根据科学载荷的需求，高空科学气球平飞阶段的工作时长可以从几小时到几十天。当科学载荷完成了试验任务，就可以结束平飞了。测控中心发出指令切割掉降落伞与气球之间的连接缆绳，球体部分因为失去负重，迅速上升，氦气剧烈膨胀使球体发生破裂，所以高空科学气球的球体部分是一次性使用，不可回收的。
图11 球体切割后破裂
（图片来源：作者自制）
降落伞快速展开，带着下面的载荷吊舱缓缓落回地面，科学团队回收载荷吊舱后，对仪器进行进一步迭代改进，可以继续参加后续的飞行试验。
图12 载荷吊舱可回收
（图片来源：作者自制）
图13 整个高空科学气球飞行的任务剖面
（图片来源：作者自制）
我们自己的高空科学气球技术
国内的高空科学气球事业起源于中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）。1977年6月，高能所召开了宇宙线规划会议，会上李惕碚教授作了“宇宙线天文学简介”的报告，会议提出“近8年尽快掌握高空科学气球技术，开展宇宙线天体物理观测，之后争取发射卫星”的发展思路。
1977至1984年是我国高空科学气球事业发展的第一阶段。经过老一辈科学家的不懈努力，1983年，我国第一个高空科学气球“HAPI-0”在河北香河县成功起飞，并对伽马射线进行观测，取得了不错的空间观测数据。这标志着我国建立了自己的高空科学气球系统，实现了从无到有的技术跨越。
1985—1990年是我国高空科学气球发展的第二阶段。这一阶段的主要特点为“边发展边应用”，众多科学试验逐步进行，不仅满足了科学应用，还发展了高空科学气球平台技术。
1986年，我国与日本合作，开展了高空科学气球跨洋飞行实验，5000立方米的高空科学气球在日本鹿儿岛起飞，历时约18个小时，成功降落在浙江省桐庐县湾里村，上海天文台完整地回收了高空科学气球吊舱。1986—1989年，中日合作高空科学气球飞行实验共进行过7次成功的飞行。
1991年至今则是我国高空科学气球发展的黄金阶段，零压式高空科学气球技术已经基本成熟，根据载重和飞行高度需求不同，形成了从小到大的一系列型号，同时超压式高空科学气球技术也在飞速发展。
据统计，迄今我国共开展了200多次高空科学气球探测和技术实验，研究领域涵盖天文、空间物理、空间化学、大气物理、微重力、空间生物和遥感等。
可以说，中国的高空科学气球，是在空间科学探测的强烈需求下诞生的。在高空科学气球发展的过程中，它也为众多空间科学仪器和卫星的立项立下汗马功劳。
“悟空”问天背后的故事
由中国科学院空间科学战略性先导科技专项支持的“悟空”号卫星（暗物质粒子探测卫星）是我国的第一颗天文卫星。“悟空”号首次从太空直接观测了最高能段的电子宇宙射线，成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果，其首批成果已于2020年底发表在《自然》杂志上。《自然》中国区科学总监印格致说：“‘悟空’号的探测结果有可能改变我们看待宇宙的方式”。
在“悟空”号发射的背后，也有高空科学气球的功劳。
20世纪90年代，由美国航空航天局（NASA）主导的搭载先进薄型离子量能器（ATIC）的高空科学气球项目，计划在南极开展高空宇宙射线的观测。
1997年，中国科学院紫金山天文台的常进（现为中国科学院院士）和他的团队向美国科学家提出建议，把观测原初高能电子也增加到“ATIC”项目。为了说服美国科学家，常进飞往美国，当着他们的面将自己的想法编写为程序，并将参数计算出来进行核对。
最终，在常进的努力下，美国人同意将南极高空科学气球的试验数据交给他分析。此后7年，常进3次参与南极观测，并在3000多万个宇宙粒子里成功找到了210个超出正常能谱的高能电子，常进认为其可能来自于宇宙暗物质湮灭。
2008年，该成果在《自然》杂志发表。有了ATIC高空科学气球的试验验证，2011年底，暗物质粒子探测卫星项目被正式列入中国科学院空间科学先导专项。2015年12月17日，“悟空”号发射成功。
图14 先进薄型粒子量能器（ATIC）高空科学气球试验
（图片来源：Strato Cat）
图15 “悟空”号
（图片来源：新华网）
“慧眼”巡天，“气球”先行
2017年6月15号，我国自主研制的HXMT（硬X射线调制望远镜）卫星“慧眼”发射成功，并于2018年1月30日正式投入使用，“慧眼”卫星工程是研究黑洞、中子星等致密天体前沿问题的重大自主创新空间科学项目，对提高我国在空间科学领域的国际地位有重要意义。
“慧眼”成功的背后，高空科学气球功不可没，早在20世纪90年代，高能所李惕碚院士和吴枚研究员提出了直接解调成像方法，即应用非线性的数学手段，直接将原始的测量方程实现反演成像。该方法可以使用便宜的仪器，得出更高分辨率的图像。
1993年，基于这种“物美价廉”成像技术的非位置灵敏硬X射线探测器，通过HAPI-4（high altitude platform instrument）高空科学气球实验对黑洞候选体天鹅座X-1进行扫描观测，获得了比美国同行好得多的结果。
图16 国际同行对当时硬X射线望远镜的工作评价很高
（图片来源：中国科学院高能所气球组）
图17 HAPI-4球载望远镜吊舱和观测结果
（图片来源：中国科学院高能所气球组）
当然，仅仅一次实验还不能够令人信服，高能所天体组在1992年、1993年、1998年、1999年和2001年，一共进行了5次球载硬X调制望远镜的飞行试验。其中2001年这次，高空科学气球体积400000立方米，载重650公斤，飞行高度38.9公里，飞行时间6小时40分。硬X射线调制望远镜高空科学气球实验为“慧眼”卫星的立项和成功发射奠定了坚实的基础。
太阳电池的“幕后英雄”
太阳电池能源系统是太空飞行最基本的保障，在设计空间用太阳电池能源系统时，需要获得太阳电池在标准阳光下的精确性能参数。特别是对探月或者探火的深空飞行器来说，所带能源系统重量十分有限，所带太阳电池过多容易超重，影响和挤占载荷重量；所带太阳电池过少则无法满足飞行任务。
对太阳电池性能的精确计算依赖太阳电池在标准光下的精确性能参数。目前在地面采用模拟光对电池进行标定的方法，无法精确测量太阳电池参数，因此需要对太阳电池进行地球大气外层或在接近的环境进行标定和测量。
高空科学气球因其独特的工作方式，可以很好地承担起太阳电池的标定工作。99.5%的大气在35km以下，在这个高度的上界，没有灰尘，没有水蒸气，没有主要的臭氧带，因此这里的太阳光基本上就是外层空间的太阳光。而高空科学气球可以将被测电池带到35km以上的大气环境中，其标定的光源状态已非常接近理想的AM0（Air Mass 0 大气质量为0）状态。
中国科学院空天信息创新研究院在2018年8月8日成功利用高空科学气球，对空间太阳电池进行了高空标定试验，在国内首次完成了对太阳电池开路电压、短路电流、最大功率点电压等参数的详细测量，推动和促进了我国新型空间用太阳电池的发展，也为我国深空探索任务、空间站任务等重大航天任务在能源系统方面做出了巨大的贡献。
图18 中国科学院太阳电池高空科学气球临近空间标定
（图片来源：参考文献[4]）
结语
现代高空科学气球已有70多年的历史，它是目前最成熟的临近空间飞行平台，已成为诸多新技术迈向空间科学的基石，它也在朝着飞行时间更长（超压式高空科学气球），指向精度更高（行星科学观测），飞行航向可控（可持续循环高度调节技术）等多个方向发展。
气球是一种古老的技术，当我们用它来满足空间科学发展的需求时，它便带给我们更多的创新。未来，相信我们的科学家会用它创造出更多奇迹。
参考文献
[1]廖俊, 袁俊杰, 蒋祎,等. 高空零压气球上升过程的运动特性研究[J]. 航天返回与遥感, 2019, 40(1):9.
[2]腾讯网.从高空气球到神舟四号｜空间细胞电融合仪发展历程回顾
[3]人民网.悟空号源自一项“搭便车”
[4]徐国宁, 唐宇, 李兆杰,等. 太阳电池高空气球标定关键技术研究[J]. 太阳能学报, 2021(010):042.
[5]黄宛宁,张晓军,李智斌,王生,黄旻,蔡榕.临近空间科学技术的发展现状及应用前景[J].科技导报,2019,37(21):46-62.
[6]祝榕辰,王生.超压气球研究与发展现状[C]//第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集.中国空间科学学会, 2011.
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