高空氣球

高空氣球具有飛行高度高，成本低，準備周期短，易於靈活實施等其他飛行器所不具備的特點。世界上一些發達國家從六、七十年代起相繼開始大規模的發展高空氣球技術，使氣球成為一種與火箭、人造衛星等飛行器並駕齊驅的進行大氣和空間科學研究的運載工具。高空氣球的球體，大都用高壓聚乙烯材料所作的球膜經熱壓熔焊製成，膜厚僅20μm 左右，其低溫性能和抗拉伸強度卻非常好。為提高載重能力，大型氣球沿其母線還加有尼龍加強筋。球體形狀多為自然形，採用所謂零壓式，即在球體下部留有排氣管使內外相通，壓差為零，用以防止氣球升空后球內壓力增大把氣球漲破。氣球內部充以氫氣，有的充以氦氣。氫氣的浮力大、價格低廉，但易燃易爆，必須在嚴密的安全措施下使用。氦氣的浮力比氫氣小，安全，但價格昂貴，不宜大量使用。氣球的體積根據載重能力和升限的要求不同而定，載重量越大，升限越高，要求體積越大。一般，由幾千立方米到幾十萬立方米，甚至超過百萬立方米；載重量由幾十公斤到上百公斤，甚至超過一噸；升限在35~45km，及至超過50km。

廣義的高空氣球包括傳統的零壓式自然形氣球、大型超壓氣球、小型超壓氣球、紅外熱氣球以及其他飛行於平流層的無動力浮空器。

傳統零壓開放充氦氣球是目前最主要的平流層氣球平台。包括常規飛行和長時間飛行兩種模式。飛行高度30～40km，體積50000～1200000m ；有效載荷100—3000kg；常規飛行時間控制在一天以內，長時間飛行能達到數周，適合大載荷、高海拔的任務，如宇宙線觀測、光譜分析和航天試驗等。

美國的零壓式氣球已經成為一種科研服務產業。至今已發放了2000多隻零壓式氣球，服務對象包括了35所大學、23個代理研究機構和33個國外組織。近年來平均每年大約有10～20項高空氣球試驗，其中包括每年1～2個在南極進行的長時間飛行項目。

法國的CNES是歐洲唯一擁有完整高空氣球系統的機構，是歐洲氣球活動的中心。能製造120萬立方米的大型零壓氣球，在北歐、巴西、南極都有實驗基地，與歐洲各國合作緊密。

日本也是較早建立高空氣球系統的國家之一。每年的氣球試驗數量為10～15次，包括本土三陸氣球站實驗3—6次，其餘為與美國或法國合作進行的在本土以外的飛行試驗。

大型超壓氣球指的是載荷能力和零壓氣球相當的超壓封閉氣球。隨著20世紀90年代長時間飛行零壓氣球LDB的成功運用，美國的氣球技術積累已經達到了一定程度，如球體結構設計，長時間飛行的熱分析，長時間數據通信與定位跟蹤等，然而用零壓氣球進行長時間飛行要藉助極晝和環流，受緯度和季節限制，難以實現更長時間的飛行。1996年沃勒普斯飛行中心(WFF)正式向NASA總部申請了ULDB計劃，提出了100天持續飛行的最終計劃，計劃有效載荷在1．5t以上，飛行高度35km，外形採用南瓜形，目前正在進行17萬立方米樣球的試飛。ULDB是具有空間飛行性質的綜合系統，相信它的研製成功會大大促進平流層技術的進步。

小型超壓氣球指的是攜帶小型感測器的超壓氣球，通常有效載荷不超過20kg，飛行高度在20km左右。早在20世紀60年代，美國就進行過大規模的小型超壓氣球試驗。小型超壓氣球飛行時間長，數據規模大。例如，2005年的Vorcore是法國在南極進行的一項研究南半球極地平流層渦旋的氣球實驗。在3個月間，共發放了27隻超壓氣球，74%的氣球飛行了3個月以上，累積飛行時間為1575天。

小型超壓氣球的特點適合大面積收集大氣信息，在環境科學、地球物理和行星探索領域能發揮重要作用。

紅外熱氣球(MIR)是法國研製的一種長時間飛行氣球。1977年由法國國家科學研究中心CNRS提出概，CNES設計，氣球體積為4萬立方米左右，載荷60kg，球體為自然形。利用白天的太陽輻射和夜間地球反照輻射加熱球內氣體，產生浮力。球體由上下兩個不同材料的半球組成，上半部分使用鍍鋁聚酯薄膜，形成一個空腔以吸收地面紅外反照輻射，同時阻止球內氣體向外界發出熱輻射；下半部分使用線性聚乙烯薄膜，對紅外線透明，能抵抗球內外溫差(80℃)。

高空科學氣球系統的構成包括球體、吊艙等，球體內充以浮升氣產生浮力，切割器用在實驗結束後分離球體。球體和系統分離后，由降落傘把系統的其餘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達波以便於識別和跟蹤，探空儀不斷探測大氣的溫度、濕度、壓力等氣象要素，並由無線電發射機發回到地面，由地面測風雷達接收並記錄，同時也便於地面雷達天線跟蹤。信標機的作用是在吊艙等設備降到地面后發出無線電信號以引導回收人員進行回收。根據不同實驗的需要，實驗吊艙內可安裝各種儀器儀錶，並安裝有遙測發射機、遙控指令接收機和相應的終端設備等。

利用高空氣球進行科學實驗，一般由制定計劃、裝配吊艙、設備調試、現場聯調、氣球發放、空中飛行、切割降落、地面回收等許多環節組成。

氣球發放必須在專用場地進行。發放方法有靜態、動態和軟式發放等幾種。靜態發放是把實驗吊艙置於地面或平板拖車上，調整好吊艙與氣球的相對位置和距離，在風比較小時使吊艙儘可能垂直起飛。此法使用的設備簡單，但不很安全，動態法比較安全，但需要專用吊車和較大的發放場地。軟式發放是先用一個輔助氣球把吊艙吊起並系留地面，待主氣球起飛后再釋放輔助氣球，當繩纜拉直后兩者自動脫離，此法安全，不需大場地，但輔助氣球必須充氦氣。發放氣球還需配有專用的充氣設備，由於高空空氣稀薄，氣壓很低，一般幾十萬立方米 體積的氣球，在地面只需充幾百立方米 的浮升氣，當升入高空后即可被漲滿。為了控制氣球的高度和升速，在氣球頂部裝有排氣閥，吊艙內裝有壓艙物（鐵砂等），由地面指令控制排氣閥開關或拋砂，達到控制氣球的高度來控制其飛行方向（高空各層風向不同）。氣球起飛后，可由地面的遙測、遙控設備進行跟蹤和控制，隨時測量氣球的位置，並計算出它的高度和水平距離。

遙測系統包括球上設備（遙測終端、遙測發射機）和地面設備（遙測天線及驅動系統、遙測接收機、遙測接收終端、記錄設備等），該系統的作用是把觀測到的科學數據或實驗數據由無線電通道傳到地面。一般快速續信號的傳送採用FM-FM遙測體制，較慢的信號或者工程參數採用PCM-△PSK-FM體制，兩種體制也可混合使用。連續信號可由筆錄儀進行記錄，數字信號大都通過計算機進行採集和處理。

遙控系統包括指令操作台、指令發射機、遙控天線及隨動系統、氣球上的遙控指令接收機、指令終端及執行機構等。本系統的功能是控制氣球的飛行和觀測設備的動作，或對科學實驗設備及過程進行控制。

跟蹤定位系統主要由地面天線及測角、測距等設備組成。地面跟蹤天線可以自動跟蹤氣球，天線的方位角和仰角可通過測角系統傳遞到計算機進行採集和記錄，氣球到地面站的直線距離是通過利用遙測、遙控通道傳輸測距音頻並測量其傳輸相移來進行測量的，知道了氣球的方位、仰角和距離，就可計算出它的高度，這樣就可以隨時掌握氣球在空中的位置以及切割後下降到地面的大致區域。

空中觀測或實驗任務完成後，由地面人員發出指令，使球體與系統分離，由降落傘帶著吊艙等設備落到地面，同時信標機發出無線電波引導回收人員進行回收。

國內可進行高空氣球發放任務的機構是由原中科院高能物理所的氣球中心和光電研究院合作成立的氣球飛行器研究中心，該中心從事高空氣球的研究和發放工作已經有幾十年的歷史，是目前國內高空科學氣球領域的先驅和主導。中國科學院的氣球中心從70年代末開始發展高空氣球，於1984 年建成了我國唯一的高空科學氣球系統並開始應用於科學觀測和研究。系統包括氣球研製和發放、遙測遙控和定位跟蹤、實驗艙姿態控制、實驗設備回收、氣體儲運設備、氣象保障和地面勤務通信等。氣球體積最大達 5 萬立方米，最大載荷重量250 公斤，飛行高度32 - 34公里，氣球的滯空時間3 - 5小時。該項目於1985 年獲得國家科學進步二等獎。

經過二十年的發展，目前該中心的高空氣球技術已經比較成熟並達到一定的水平。氣球體積形成了從 3 萬立方米到40萬立方米的系列，最大可製造60萬立方米的氣球，發放能力達到2000公斤，飛行高度 40 公里。 1990 年實現了從我國北方到俄羅斯西南部的長時間飛行，飛行時間 72 小時，飛行距離四千餘公里。同時我們還具有實施中小規模氣球系統的流動發放的能力。二十幾年來該院的高空科學氣球系統應用於多學科的實驗研究，包括宇宙線、空間硬X 和γ 射線天文、紅外天文、空間物理和太陽物理、平流層和中層大氣物理、遙感、微重力科學、空間生物和遺傳等領域。現在各國正在研究和發展的超壓氣球，不同於傳統的零壓氣球，由於飛行持續時間可長長達幾十天甚至上百天，並且飛行高度穩定，因此不僅是NASA目前超長時飛行氣球項目的主要研究對象，也是將來高空氣球應用和發展的一個重要方向。目前光電研究院的氣球飛行器研究中心也正在進行超壓氣球的研究工作，並在幾年內開展有關實驗和飛行工作。