流浪气球（二）｜魏科
本文为魏科老师流浪气球系列二，系列一见《流浪气球（一）｜魏科》
高空气球是重要的科研平台
自然的奥秘、宇宙的起源，人类想要解答这些问题必须上下求索。向上，头顶上静默万里的长空蕴藏着神秘的答案，而高空气球就是帮助人类打开天空之门、向上求知的重要钥匙。
与飞机和卫星等平台相比，高空气球由于能够长时间驻留在高层大气中（~20-50千米），加之能源损耗低、载重能力强、安全性高、可重复性强、操作便捷、见效快等诸多优点[5]，成为了开展天文观测、宇宙研究、气象试验等科学研究的重要平台，特别在我国还未发展天文卫星和空间站的年代，高空气球甚至是开展这些研究的唯一科学平台。
高空气球主要分为两种：零压气球和超压气球。
零压气球（Zero pressure balloon）：球体内气体通过排气管与外部大气相通，从而始终保持球体内外的压差大致为零，气球靠浮升气体（一般为氢气或氦气）的浮力向上运动。在地面时浮升气体不充满气球，在上升过程中，随着气压降低，气体膨胀，球体逐渐被胀满，多余的气体会通过排气管排入大气。气球高度会随昼夜温差发生变化。夜间温度降低，浮升气体收缩，浮力减小，气球高度下降。白天温度上升，浮升气体膨胀，浮力增大，气球高度上升。当气球到达指定高度后，浮力与重力相等时气球便停止上升。零压式气球的优点是可以达到更高的高度，缺点是由于经过一昼夜就要损失部分浮升气体，从而难以始终维持在指定的飞行高度。
零压气球，图片来源：NASA
超压气球（Super-pressure balloon）：球体内的气体与外部大气不相通。达到指定高度后，气球被浮升气体涨满。白天温度较高，球体内浮升气体膨胀，球内压力大于外部大气压强，因此球体要承受一定的压差。球体内外较大的压差能够避免晚上由于温度降低、浮升气体温度下降导致的浮力损失。因此超压气球的优点是能最大程度避免昼夜温差的影响，从而长时间在指定高度上飞行。
超压气球，图片来源：中国科学院
零压气球和超压气球飞行高度的昼夜变化，图片来源：NASA
在高空气球的协助下可以开展许多科学实验，例如对宇宙尘的收集、进行空间天文观测、开展微重力实验，探测高层大气气溶胶等。这些实验内容虽然不怎么“接地气”，却都极具科学价值。
宇宙尘是由众多细小粒子组成的一种固态尘埃，自宇宙大爆炸起便弥散在浩翰的宇宙空间之中。高空气球能够将收集器带上高空，收集这些太阳系最原始的标本，从而探索太阳系及宇宙的形成。
宇宙尘图片，图片来源：伦敦帝国理工学院
大气层是地球生命的保障，但也屏蔽了来自宇宙的丰富信息。由于地球大气对电磁波的吸收、反射和散射作用，宇宙中的许多电磁信号无法到达地表被人类获取。用高空气球将天文观测设备运载到高空进行观测，能很大程度上克服地球大气层对天文观测的影响，是一条低成本高质量的天文观测新途径。
由英国杜伦大学、加拿大多伦多大学和美国普林斯顿大学等组成的国际合作组织，建造了一台名为SuperBIT的搭载于高空气球上的新型天文望远镜，图片来源：SciTechDaily
地球生命的塑造、各种自然现象的发展演变大都发生在重力的作用下，而太空环境是微重力环境（微重力是指重力或其它外力所引起的加速度不超过10-5～10-4 g）。人类想要迈入太空，就必须深入了解在微重力环境中原本熟悉的现象会呈现哪些截然不同的变化。用高空气球将实验装置带入高空后抛出，能够在自由下落的过程中创造近乎于微重力的环境条件。
蜡烛在地球上和微重力环境中的不同燃烧形态，图片来源：日本宇宙航空研究开发机构
气溶胶是研究辐射、大气光学、环境科学和气候变化理论的重要资料。气溶胶能够通过吸收/散射来自太阳和地面的辐射，直接影响地气辐射能量收支；也能够作为云凝结核，参与云的形成、演化和消散过程，通过改变云的微观物理结构改变其寿命和光学特性，间接影响地气辐射能量收支。在高空气球的协助下，观测平流层及以下气溶胶数浓度和尺度谱的垂直分布，能够为辐射能量收支的研究提供重要的基础数据。
大气所在中科院战略性先导科技专项“鸿鹄专项”中承担了“青藏高原平流层-对流层交换观测”课题，在青藏高原利用高空气球进行高空原位大气辐射、气溶胶探测等多项实验，图片来源：中国科学院大气物理研究所
除了作为科研平台，高空气球在交通运输、环境监测、遥感通讯、观光旅游、应急救援、反恐、缉毒、边境巡逻等领域被广泛应用，可以说哪里有高空，哪里就用得上它。
只要结构合适，材料强度允许，高空气球可以在高空停留几周、几月甚至更长的时间，远远超过飞机的续航时间。以美国续航能力最强的大型无人机——“全球鹰”为例，其续航时虽然可达42小时，但与高空气球的飞行能力相比依然相差悬殊。
而从安全、经济方面来看，高空气球更是具有风险性低、效费比高的优势。以美国的高空天文台为例，早在上个世纪70年代初，美国NASA就开始研发机载天文台。NASA选中了两架康维尔990型客机，将其改装为伽利略机载天文台（伽利略Ⅰ和伽利略Ⅱ）。但在1973年4月12日，伽利略Ⅰ在降落时和一架美国海军巡逻机相撞，两架飞机共16人遇难，只有军用飞机上的1人幸存。1985年7月17日，伽利略Ⅱ在起飞时爆胎，飞机停止起飞，而后飞机起火葬身火海，所有设备和文档都被烧毁，所幸无人遇难[6]。相比之下，高空气球几乎不可能造成如此大规模的人员伤亡和设备损失事件。
在1997年，美国NASA的机载天文台“同温层红外线天文台”（SOFIA）搭载于一架改装的波音747飞机上，光改装就花费了11亿美元。SOFIA每次只能在高空中进行数小时的观测飞行，但每年的运营成本约为8500万美元，几乎和哈勃空间望远镜的运营费用相当。这些“疯狂燃烧”的经费连NASA也招架不住，SOFIA的使用寿命最初预计为20年，但它服役8年后就草草收场了[7]。而根据2017年《Computer》杂志介绍，由斯坦福大学学生制作的准专业高空气球能够飞行79小时6分钟，其成本还不到1000美元[8]。
飞行中的SOFIA，图片来源：NASA
我国高空气球的春天
在仰望星空、探索宇宙的总方向下，中国科学院提出了不少向太空进军的研究课题。1977年6月1日，在《1978-1985年全国科学技术发展规划纲要》发布的前夕，中国科学院高能物理研究所（简称高能所）召开了宇宙线规划讨论会。会上“宇宙线科研长远规划”这一设想取得了与会人员的共识。
在中国第一颗天文卫星上天前，高空气球作为 “开路先锋”，由高能所提出并作为当时重要的研发项目之一。中国科学院院士顾逸东，当时是高能所的一位年轻有为的科研人员。他作为高空气球项目的主要筹备和参与人员，极力推动了该项目的实施。
图片来源：中国高空科学气球第一期工程，荆其一提供
为保证高空气球项目的落实，中科院组建了科研攻关团队，高空气球队伍成员除了高能所外，还纳入了大气物理研究所（简称大气所）、上海天文台、空间中心、广州电子技术研究所等单位。
1977年的秋天，在高能所召开了高空科学气球第一期工程首次总体会。总体会上探讨了方案的总体设想，落实了人员安排：大气所周秀骥为总体组组长，顾逸东和大气所荆其一等人为副组长，大气所叶笃正为高空科学技术领导小组组长。时任高能所副所长的何泽慧对高空气球项目也很重视，密切关注着该项目的开展情况。
何泽慧到气球发放现场了解情况，图片来源：中国高空科学气球第一期工程，荆其一提供
大气所在河北香河建有综合观测站，当时已有现成的测风系统和测雨雷达，为项目开展提供了重要的工程条件，因此大气所成为高空科学气球项目的抓总单位。为此，大气所还成立了第十研究室——高空科学气球技术研究室，专门负责这个项目，这是当时大气所里唯一一个纯技术研究室。
荆其一，毕业于北京工业学院（现北京理工大学）无线电系雷达专业，是当时雷达方面的技术员。他参与项目后当机立断，提交报告申请所里科研项目的经费支持，采购了两部雷达并对其做了改造：一部用做接收气球遥测信号的信道，另一部用来发送地面的动作指令。就这样在香河观测站已有的条件下，逐步搭建起高空气球的地面设备。
地面信号控制台，图片来源：中国高空科学气球第一期工程，荆其一提供
高空气球本身是项目的难点之一。项目计划让气球飞上3万米的高空，这对球膜的制造技术提出了极高的要求。首先，要在高空飞得更高，球体就不能太重。其次，气球要能克服高低温的考验。在北纬40°左右的北京，对流层顶大概在12公里左右，对流层内大气温度随高度下降，到了对流层顶附近大气温度可低至-75℃左右。要穿过这一层，气球必须能够承受这样低的温度，不然会被冻成了“玻璃球”，再往上升必然会破碎。除了要抗冻，还得耐热耐辐射。因为过了对流层顶后，大气温度又随高度上升，高空中太阳辐射强，大气稀薄导热效果差，因此球体表面能达到很高的温度。最后，球膜还得耐臭氧，因为平流层中的臭氧浓度高，对球膜有极强的氧化作用。
大气层温度随高度的变化情况，图片来源：大英百科全书
当时制作球膜的材料选择了聚乙烯材料，也就是我们常见的塑料。经过研究人员和化工厂工人的多次尝试，在采取了一些特殊的工艺方法后，总算把这层能勇闯“冰火两重天”的极薄球膜制造了出来。球膜的厚度只有20微米，这是个什么概念呢？就是把球膜往铅笔上卷，卷50层，铅笔的半径也只增加一毫米。
当时放的高空气球是零压式气球，这种气球在上升过程中气球内外的大气压强的差异始终不大，依靠浮升气体（当时使用的是氢气）的浮力升空。在地面时浮升气体不会把气球充满，所以在地面时，我们看到放飞的零压式气球都是瘦长的细条状。
零压式气球内外压力几乎平衡，在那么薄的球膜上要是漏个小洞也不用太担心漏气。因为当压差接近零的时候，气流流动很小，基本上不怎么跑气。放球前大家在地上一边铺球，一边检查哪儿被扎了个窟窿，要是破了洞就粘上一小块胶带，这就够了。
在对流层和平流层之间存在的逆温会导致球体内的浮力发生动荡，因此，放球得注意气球上升的速度，升速要求在每分钟250-300米。比这个速度慢一点就穿不过对流层顶，气球就会在对流层顶来回反复波动。比这个速度高也不行，升速太快，排气管来不及把气球内膨胀的气体排出去，排气赶不上膨胀，气球就容易被涨破。
气球离开地面后，雷达就开始对它进行追踪。但这么薄的球膜对于雷达发出的电磁波而言几乎是透明的，雷达无法接收到气球反射的回波，就没办法定位气球（当时还没有GPS和北斗导航设备）。为了解决这个问题，研究人员在气球底下吊了一个角反射器，任何一个进入角反射器的雷达信号，经过两到三次的反射，都能按原路全部反射回去。大家可能想不到，拥有这么强反射性能的角反射器，在当时是科研人员用镀铝薄膜加铁丝扎出来的，简单却高效！
每次起飞前，需要申请空域，不能和航线发生冲突，还得确保放气球时的气象条件良好。当时的气球充的都是氢气，容易发生爆炸。为了安全，在场的工作人员必须头戴玻璃钢头盔，身着纯棉的静电服。为了增强警示性，静电服都被染成了橙红色。就连洗衣服时，都要求使用防静电的洗衣粉。因为落实了这样严格的安全标准，研究人员在项目执行的十多年间，没有出现过一次气体安全问题。
高空气球需要将装满科研仪器和设备的吊篮带上高空进行观测、采集数据。针对不同的科学项目有不同的吊篮，比如脉冲星观测吊篮、研究气溶胶吊篮、采集宇宙尘的吊篮以及红外望远镜吊篮等。零压气球没有驱动装置，风往哪吹它就往哪飘，因此对气球航迹的判断需要依靠气象风场的准确预报。吊篮在天空工作时，在地面的遥测遥控系统接收来自吊篮内探测仪器发出的信号，并对观测数据进行记录。每个吊篮都是一个百宝箱，因此回收吊篮是气球工程的重要组成部分。
在气球完成任务后，地面发出指令，切断吊篮与气球的连接，吊篮携带的降落伞会顺势打开。下落的过程中，吊篮中的信标机自动开启并向外发送无线电波，地面的遥测系统也一直盯着吊篮的下落情况。此时，地面回收组就开着载有测向机和电台的皮卡车出发寻找气球。在当时的情况下，我们对吊篮的回收率能够达到60%~70%，可以说是相当成熟的技术了。
最终，我国可以成功放飞体积达三万立方米、载重190千克的高空气球，最高高度达到35千米。在我国高空科学气球第一期工程进展期间，我国也参与了许多国际合作项目。与前苏联完成了一次中苏合作飞行，气球从北京出发，飞了整整5天4夜，最终在前苏联的阿拉木图降落。在与日本的合作中，高空气球从日本上空飞至我国浙江，完成了一次越洋飞行。还与德国就高空气球上开展微重力实验进行了深度探讨等。就是在那个时代，我国高空气球迎来了第一个春天。
中国的高空气球从无到有，从最基本的材料制作到最终的回收技术，都是靠着老一辈科学家们的不懈努力一点点摸索出来。到1983年底，中国科学院建成了万立方米级高空科学气球系统，完成气球材料、气球设计、制造，气象保障，气球的发放、回收，无线电遥控遥测、跟踪定位、姿态控制等方面的研制工作，整个系统的技术状况稳定可靠。
1984年6月8日至12日，中国科学院科学院召开“万立方米级高空气球系统”科研成果评定会。评定结果认为，该系统作为一般规模的高空和空间科学观测的实用运载工具，在空间天文、宇宙线及高能物理、大气物理等多个领域开展了多次科学观测，取得了一批有价值的科学资料，为平流层大气探测和遥感等科学研究提供了重要的观测平台，该成果获1985年国家科技进步二等奖[9]。
夺人眼球的高空气球试验集锦
法国是近代气球的诞生地，其和美国合作的Concordiasi气球项目，在获取高空气象数据以改进数值天气预报系统的过程中取得了不少瞩目的成绩。热带对流层顶和赤道平流层低层的动力和物理过程在地球气候系统中起着关键作用。但目前的数值模式对于热带高层大气的模拟能力较差，造成这一问题的重要原因之一就是热带高层气象数据的稀缺。
2010年2月，法国航天局在印度洋的塞舌尔岛( 西经55.5 ° , 北纬4.6 °)放飞了3个超高压气球，每个气球都携带了热动力传感器，能够每30秒进行一次大气压力和温度的观测。它们在17 ~ 19公里的高度飞行了约3个月，覆盖了整个赤道带[1]。气象科研人员利用这些气象数据能够改进对热带大气环流的模拟，再通过对气球航迹的复现验证数值模式的改进效果。
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在超高空气球技术研究方面处于国际领先地位。近50年来，JAXA持续在日本本土进行科学气球项目。日本国土面积有限且人口密集，为了保证气球有足够的航程及相关仪器能被安全回收，JAXA采用了“回旋”式飞行进行气球作业[3]。
具体来说，气球升空一段距离后，首先通过减小升力让气球停止上升，此时气球会被对流层顶的西风急流带到海面上空。然后再通过减轻载荷重量（比如抛沙等）让气球重新上升。夏季在更高的平流层为东风气流，气球在一定的高度上又被吹回西边，等气球快到岸边时终止气球飞行进行切割，船只在海上对分离的气球和有效载荷进行回收。
这样的气球实验一般在每年的5-6月和8-9月进行，因为此时对流层到平流层上层区域既有较强的西风急流也有合适的东风急流，有利于气球的“回旋”飞行，我国高空科学气球第一期工程也采用类似的“回旋”飞行。2013年9月20日，JAXA在北海道成功放飞了一个球膜厚度仅为2.8微米，体积达8万立方米的超薄高空气球，该气球最终达到了53.7公里的高度，这是目前高空气球飞行高度的世界最高纪录。
美国是现代高空气球的开创者。美国国家航空航天局（NASA）在1997年提出了一个雄心勃勃的计划——超长航时气球（Ultra Long Duration Balloon，ULDB）。该计划全面采用超压气球，最终要实现的目标是气球飞行高度33,500米，有效载荷1,600千克，飞行时长达到100天以上。超压气球能够长时间稳定在悬浮高度上飞行。在2008年底，NASA在南极发放的编号591NT的ULDB气球，借助南极极昼的优势来维持太阳能电池的供电，一举完成了长达54天的超长航时飞行，在南极大陆上空盘旋了近3圈[2]。这是目前NASA超压气球飞行持续时间的最高记录。
2008年ULDB计划在南极的放球现场 图片来源：StratoCat
除此之外，美国谷歌X实验室曾推出了一个谷歌气球互联网计划（Google Loon），该项目旨在发射数千个高空气球至平流层，气球上携带着无线网络信号的收发器来搭建网络中继平台，以此让全世界每一个角落都能连接网络[10]。如果成功，各国可望省下架设光纤电缆的昂贵费用，这将大幅增加非洲和东南亚的网络人口，填补网络服务的盲区。
应计划成立的谷歌Loon公司曾成功验证气球通讯技术的可行性。2017年，秘鲁遭遇洪灾，当时Loon正在秘鲁进行小型试验，为了帮助当地恢复网络，他们向公众开放了通讯连接。同年，波多黎各遭遇玛利亚飓风的袭击，大面积停电导致通讯遭到破坏。Loon发出气球飞去当地上空搭建临时通讯，这是Loon的气球通讯系统的连接规模首次达到数千万用户的体量。但由于这一项目需要大量资金支持，并存在技术难点，风险性较高，因此商业化道路受阻，目前该项目已告暂停。
谷歌气球互联网计划 图片来源：bloggingrepublic
我国也一直深耕于高空气球的探索之路上。在2022年中旬，中国气象局气象探测中心联合国内大型浮空平台生产企业，共同开展了无动力浮空平台全球观测试验。该项试验历时28天，完成了绕地球飞行一圈的任务，共获取5000余条经纬度、海拔、温度等数据信息。目前获取的数据已提交中国气象局，并共享到地球系统数值预报中心进行同化应用，以改善我国数值模式对大气运动的模拟和预报能力[11]。
■ 作者简介
博士，副研究员，中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心副主任，中国科学院青促会会员。
科研领域为平流层-对流层相互作用、东亚季风和极端气候事件。
风云之声
科学 · 爱国 · 价值
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