科学|气球，不止装饰( 二 )
NASA提出了将气球利用程度和效益最大化的方针 ， 建有德州巴勒斯登、新墨西哥州萨姆纳堡气球站和阿拉斯加Fairbanks基地 ， 1990年在南极McMurdo(70.5°S ， 157.5°W)建站开展绕南极的长时间飞行 ， 还与巴西、澳大利亚、新西兰等合作开展南半球越洋飞行 。 美国气球活动规模大 ， 气球体积多为30万~110万立方米 ， 最大170万立方米 ， 载荷最重3.6吨 ， 共发放2000多次 ， 与NASA的空间计划密切配合 ， 取得显著效益 。
图4 典型的科学气球配置 ， 112 万立方米气球起飞时高度200米 ， 高空展开直径140米
图5 典型的动态式气球发放：气球头部由滚筒约束充氦气 ， 吊舱锁定在移动平台上待球体升起并超前后解锁 。 右上为高空胀满的气球及下部的排气管
图6美国在巴勒斯登站发放气球的航拍照
1998年NASA启动了超长时间气球计划(ULDB) ， 致力于发展大型超压气球 ， 目标是体积73.6万立方米 ， 高度35千米 ， 2吨载重 ， 定高飞行100天 ， 能力堪比卫星 。 超压气球在日落时内部压力降低而体积不变 ， 可长时间定高飞行 ， 但技术难度很大 。
ULDB虽比原计划滞后 ， 但技术进展显著 。 2009年在南极创造了20万立方米超压气球定高飞行54天的记录 ， 2013年53.22万立方米超压气球载2吨多载荷飞行了32天 ， 2016年在新西兰又发放成功53.22万立方米超压气球(编号662NT) ， 携1.25吨的康普顿分光与成像仪(COSI) ， 在33.5千米高度飞行46天 ， 吊舱在秘鲁降落回收 。
图7美国ULDB超压气球的
缩比实验 ， 球形采用南瓜形 ， 一种外形稳定的欧拉体
图8携带COSI的662NT超压气球起飞情景 ， 右上为升限飞行中的超压气球
同时期 ， 利用南极夏季不落日和极涡环形气流条件 ， 美国大型重载零压气球南极长时间飞行取得很大成功 ， 1995~2012年进行了44次飞行 ， 其中22次绕极单圈(8~20天) ， 6次双圈(20~32天) ， 4次三圈(35~42天) ， 最长55天 ， 至今共飞行56次 。 有力支持了高价值的南极气球科学活动 。
图9 2013年Super-TIGER项目绕南极3圈55天的航迹 ， 是NASA重载零压气球的续航记录
法国作为近代气球的发源地十分重视科学气球 ， 法国CNES设气球部 ， 是欧洲气球活动的中心 。 作者在访问CNES时 ， CNES负责人表示“我们用空间预算中的1%投入科学气球 ， 获得10%的收益” 。 法国国内气球站有Arie sur l’Adour和Gap in theAlps ， 曾进行从意大利西西里岛到西班牙降落的跨地中海飞行 ， 2013年起在加拿大开展2~3天长时间飞行 。 法国共发放气球1000余次 ， 最大气球120万立方米 ， 采用软式发放方式 。
图10法国特有的“软式”起飞法 ， 即用辅助气球升起吊舱避免触地损伤的科学气球发放场景
法国的红外热气球和中小型超压气球别具特色 。 红外热气球体积约4.5万立方米 ， 50 千克载荷 ， 靠氦气升空 ， 逐步换成空气 ， 夜间靠地面长波辐射加热 ， 昼夜呈30~18千米高度起伏 ， 特别适合大气剖面研究 ， 2001年创造了沿赤道环球飞行71天的纪录 。
日本JAXA的宇宙科学研究所(ISAS)设气球部 ， 开展了长达50年的科学气球活动 ， 早期气球站在三陆 ， 后移至在北海道Taiki ， 共发放气球600多个 ， 最大体积60万立方米 ， 发展了超压气球和轻量化高高度气球(球膜不足3微米厚 ， 高度达59千米) ， 1993年在南极洲昭和(Syowa)基地建立了气球站 ， 开展长时间飞行 。 科学气球在日本空间科学和技术试验中具有重要作用 。
【科学|气球，不止装饰】瑞典是北极区域气球活动的中心 ， 1974年瑞典空间中心在基律纳市建立Esrange基地(68°N, 20°E)开展气球飞行 ， 实现了环绕北极的飞行 ， 最大气球体积110万立方米 ， 共飞行600余次 。 瑞典与俄罗斯签订协议 ， 气球吊舱可在俄境内降落 ， 飞行时间3天到一周 。 许多国家前往瑞典开展极区空间物理、大气科学等研究 。
推荐阅读
- 每日科学|NASA将大量银河图像编织成了一首壮丽的音乐
- 魅力科学|太阳每小时会“烧”掉144亿吨物质，为何在未来还会越来越大？
- 科学|王莽有可能是穿越者吗？穿越时空可以实现吗？
- 科学|24颗“超宜居”星球被发现，比地球更完美，美国正研制超光速飞船
- 相由|“相由心生”是否有科学依据呢？
- 科学|世界3大未解之谜：生命起源、地球内核、宇宙之谜，该如何解释？
- 丙肝|他们发现了丙肝病毒！三位科学家荣获2020年诺贝尔生理学或医学奖
- 恐龙|科学家发现新品种恐龙化石 前爪仅有两指
- 科学|有哪些人可能是穿越回去改变历史的？穿越时空真的可以实现吗？
- 电动汽车|中美科学家研制出可快充的锂离子电池材料