科学|气球，不止装饰( 四 )
非粒子天体物理安排了大爆炸宇宙学、X和伽马射线源、系外行星/宇宙生物学等方向 ， 主要项目有：宇宙学/天体物理扩散辐射绝对辐射计ARCADE ， E/B模实验EBEX ， 宇宙微波前景源探测NCT ， 平流层太赫兹天文台STO ， 球载大孔径亚毫米波望远镜BLAST ， 高空透镜观测台HALO(暗能量) ， 多普勒敏感核伽马探测DoGONE ， 球载系外行星光谱望远镜BEST(口径0.75米 ， offner光谱仪) ， 行星离子碳谱仪ICarbS ， 系外星尘盘探测Zidiac等 ， 都是非常新颖的项目 。 其中ARCADE采用全新厘米波(3-100毫米)精密差分辐射计测量宇宙背景 ， 超流氦制冷；EBEX用2米望远镜 ， 1500个超导量子干涉换能边缘敏感器 ， 测量宇宙大爆炸后10-35秒暴涨期在背景上留下原初引力波印迹 。
图15平流层太赫兹天文台STO/STO-2,后续为GUSTO ， 探测星际介质和水汽、恒星和星系形成
美国南极气球计划取得许多成果 ， 如ARCADE发现CMBR的强烈射电辐射源 ， LSU非直接探测到暗物质迹象 ， BLAST发现星系形成的重要现象等 ， CREAM、GAPS的后续探测器已被送上国际空间站 。 作者认为其最重要的意义是引领了研究方向 ， 加强了研究深度 ， 激发了科学家的潜能并培养了大批人才 。
环境和大气研究 。 科学气球在大气、海洋科学和全球环境研究中发挥灵活多样的重要作用 ， 仅举几例 。 HIBISCUS-木槿计划 ， 欧盟委员会“全球变化/气候和生物多样性”大型国际合作(2002~2004) ， 与ESA的ENVISAT卫星 ， NASA的SAGE III卫星等配合 ， 开展了23次零压和超压气球飞行 ， 球载仪器包括紫外/可见/红外分光计、激光雷达、臭氧仪、表面声波传感器、光学微粒分光计等 ， 对多种大气微量成分和云、气溶胶等进行原位测量 ， 并开展卫星数据的真实性检验；GAINS-美国大气海洋局NCAR的全球大气海洋原位测量计划(2006~2008) ， 采用数百个长时间飞行“Windstar”可控超压气球在全球范围组成观测网络 ， 飞行高度18~28千米 ， 观测海洋和大气相互作用、火山喷发、海藻潮 ， 与卫星观测互补；极区大气研究-CNES与NCAR合作项目 ， 发放了19个超压气球 ， 用下投探空仪、紫外臭氧仪、粒子计数器、GPS掩星等方法研究区域大气动力学、极区中尺度重力波 ， 臭氧耗尽动力学的微物理/化学过程 ， 进行卫星红外辐射冰面数据修正 ， 改进数值天气预报 。 上述计划都取得了重要的综合效益 。
重要的空间技术试验 ， 举几个典型事例 。 有翼飞行器重返大气层试验：日本在20世纪90年代初发展小型航天飞机 ， 要解决航天飞机高速进入稀薄大气层的气动特性、气动加热防护、稳定性控制等关键问题 。 日本ISAS用气球在平流层释放航天飞机缩比样机 ， 在重力和动力联合加速下达到所需试验条件 ， 获得了大量姿态、结构响应和振动等动力学参数 ， 气动加热和机体温度场分布等重要参数；火星低密度超音速制动器(LDSD)试验：NASA为发展新型火星着陆技术 ， 用直径33米的巨型旋转超音速“飞碟”减缓飞船进入稀薄火星大气层的速度 。 为测试该技术的有效性、提高成熟度 ， 在夏威夷建造专门试验场 ， 用气球将试验系统升入太平洋上空约36千米高空 ， 2012年进行了缩比试验 ， 2014年和2016年进行了两次全尺寸试验 ， 发现了相关的技术问题 ， 试验在继续进行 。
图16在夏威夷建设的气球设施 。 LDSD载荷重3.6吨(含火箭发动机) ， 需在高空加速到4马赫
美国、俄罗斯、日本、法国等国还开展了火星、金星、木星、土卫六泰坦等太阳系天体气球探测和火星大气飞机等技术研究 ， 在地球大气中开展了一系列模拟试验 。 20世纪90年代初中苏气球合作期间 ， 苏联列别捷夫物理所的科学家提出 ， 苏-法合作“火星96”计划拟用夜间着陆、白天升空的气球大范围探测火星风场和地表物质成分 ， 需要在地球高空模拟火星气球从容器中展开的实验 ， 希望中方提供60万立方米气球 。 作者为此访问了苏联负责月球和行星探测的巴巴金空间中心 ， 最终实施了中方提供气球 ， 苏方用我们需要的氢气设备交换的合作 。
科学气球涉及领域广泛 ， 方法灵活多样 ， 与各国的空间研究和各种科学计划密切配合 ， 发挥了探索引领 ， 激励创新 ， 凝练科学目标 ， 发展实验方法、验证关键技术 ， 培养锻炼队伍等重要作用 。
本文选自《现代物理知识》2020年第2期
_原题_：浮空平台科学实验专题一——气球科学观测100年（上）
来源：现代物理知识杂志
《现代物理知识》
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