NASA高空氣球的研究及其進展

田莉莉 方賢德

（南京航空航天大學航空宇航學院，南京 210016）

1 引言

高空氣球又稱高空科學氣球，是指在平流層飛行的無動力浮空器。美國是發展高空氣球最早，技術最先進的國家。1986年“挑戰者”號航天飛機失事之后，大量的科學觀測計劃開始借助高空氣球平臺，這在很大程度上刺激了美國氣球技術的發展。同年，美國宇航局NASA（National Aeronautics and Space Administration）提出了高空氣球的全面研究與發展計劃，并于1987年開始實施。目的在于研究氣球的結構、材料、飛行性能，從而提高氣球的穩定性、持續工作時間以及有效載荷能力[1]。

高空氣球的構成主要包括球體和吊艙。高空氣球的球體是氣囊，氣囊內充以密度小于空氣的氣體，如氫氣、氦氣，依靠浮力上升。吊艙內除了裝有有效載荷外，還裝有電源、壓艙物等[2]。除此之外，需要回收載荷的高空氣球還配有回收傘以及球傘分離裝置。高空氣球具有留空時間長、價格低和回收方便等優點。

最初高空氣球最長的工作時間只有幾十個小時，并且隨著晝夜溫度的變化，氣球的飛行高度有很大的變化。這些條件使得氣球無法作為長時間觀察監視的平臺。隨著技術的發展，一些關鍵技術，如蒙皮材料技術、氣球超壓技術等都取得了突破性進展，使得高空氣球逐步應用于科學觀察。又由于高空氣球的滯空工作時間長、偵查視野廣闊、效費比高等獨特優勢，其在軍事方面也有著廣泛的應用前景，目前美國等一些國家正在開發其軍事用途。

本文重點從高空氣球的結構、蒙皮材料、飛行試驗等方面介紹了NASA高空氣球的研究與發展，內容主要包括NASA近年來對高空氣球結構設計、蒙皮材料和熱特性的研究，以及超長時氣球（Ultra Long Duration Balloon，ULDB）試飛試驗成果。NASA高空氣球的研究及其發展代表了美國和世界高空氣球研究發展的最高水平，對其進行綜述總結，對于我國高空氣球的研究發展具有參考和借鑒價值。

2 高空氣球的結構設計

根據氣球內外壓差的不同，氣球可以分為零壓氣球和過壓氣球。零壓氣球即氣球內外壓力始終相同，而過壓氣球能夠保證氣球與外界的壓差在零壓以上。零壓氣球是自然錐形的，過壓氣球是南瓜形的（故又稱南瓜氣球），如圖1所示。南瓜氣球是一個扁圓的橢球體，它利用高強度、韌度的徑向帶和“載荷承力筋”來傳遞由于蒙皮壓差和懸掛有效載荷產生在氣球子午線上的力，并通過在氣球接縫處產生“鼓包”大大減小蒙皮的曲率半徑，從而降低了蒙皮上的應力載荷[3]。

圖1 零壓氣球（左）與過壓氣球（右）Fig.1 Zero pressure balloon （left） and over-pressurized balloon （right）

2007年11 月，NASA對3種不同瓣角的高空氣球（如圖2所示）進行了爆破壓力試驗。通過試驗測得，隨著瓣角角度的增大，氣球的爆破壓力也逐漸變大，即相同材料下，南瓜形氣球可以承受更大的壓力[4]。

圖2 3種不同瓣角的高空氣球Fig.2 Three kinds of high-altitude balloon in various lobe angles

超壓氣球采用南瓜形，改變了氣球的結構形態，但氣球充氣后并沒有呈現出期望的軸對稱形狀，而是會出現不對稱的扭曲，即出現不安全的破裂現象[5]，如圖3所示。破裂現象一度成為NASA高空氣球的主要研究內容之一。針對高空氣球順利完全展開問題，NASA研究人員對高空氣球進行了多次室內模型測試、材料測試及試飛試驗。ULDB的試飛試驗共有7個，試飛氣球的編號分別為485NT、495NT、496NT、1580PT、517NT、540NT、555NT[5]。其中高空氣球540NT于2005年2月4日放飛，氣球成功的發射、上升，到達漂浮高度后完全展開，但是不久卻出現了氣體泄漏，不得不停止試驗。分析表明，此次事故原因是制造加工問題。在540NT試飛試驗的基礎上，改進了材料性能，改變了氣球的部分結構，于2006年6月12日進行了555NT的試飛試驗。試驗很成功，試飛歷時8h50min，氣球和載荷均安全著陸。但是氣球仍未能完全展開，如圖4所示。

圖3 S形破裂現象Fig.3 Balloon with S cleft

圖4 高空氣球555NT未完全展開Fig.4 Flight 555NT undeployed

2007 年和2008年NASA使用直徑4m、8.5m和27m的氣球進行了一系列地面模型測試。試驗的主要變量是最大瓣角（即氣球最大周長帶處的三角布條瓣角）。試驗證明，最大瓣角越大，氣球越容易完全展開[4]。2008年的試飛試驗586NT和591NT都實現了完全展開。

南瓜形氣球的外形與傳統的錐形氣球相比，在相同體積的情況下，會增加蒙皮面積，導致蒙皮質量的增大。不過，隨著高強度質量比材料的發現，南瓜形氣球可以實現更高的體積質量比，使這樣的設計可以得到更實際的應用。南瓜形氣球的可持續工作時間更長，有效載荷能力更高。

3 球體材料力學特性研究進展

高空氣球的球體由優質的聚乙烯樹脂吹塑而成，薄膜厚僅20μm左右。高空氣球在上升及飛行過程中，主要有兩種裝載方式：一是展開和最初加壓過程中增壓模式，二是晝夜循環時的恒壓模式[6]。在這兩種模式下高空氣球受到的應力大小是不同的，在充氣展開階段所承受的應力相對較大。如，氣球在發放的瞬間，巨大的浮力使氣球頭部猛烈上沖，在吊籃離開地面時由于吊籃的質量使頭部薄膜又一次受到沖擊。由于聚乙烯本身的黏彈性以及氣球的幾何結構，氣球完全展開后所受應力會大大減小[6]。

由于薄膜的應力極限是影響高空氣球飛行性能以及使用壽命的重要因素之一，所以對薄膜應力變形的研究是非常重要的。

1993 年Henderson等針對高空薄膜Stratofilm372和太空薄膜AstrofilmE2分別建立了室溫和低溫下的單軸蠕變屈服結構模型[7]，該模型可以直接從應力狀態得到應變和變形，從熱膨脹系數和“應力-時間”圖上可以看出材料是各向異性的[1]。但是應力之間的相互作用是復雜的，單軸結構模型不能顯示出應力之間的相互作用結果，因此，Sterling和Rand提出了超壓氣球的雙軸應力極限研究[8]。該研究在變溫、變應力條件下對氣球材料特性進行試驗，得出了雙軸應力狀態下三重蠕變的應力包絡線。Gol'dman以同樣的方法研究了聚合材料的變形[9]。美國德克薩斯A&M大學（TAMU）提出了一種新的方法，動態機械分析法，利用動力學方法和振動力學方法對材料的粘彈性進行了試驗分析，并建立了非線性結構模型[1]。

近年來，美國宇航局沃勒普斯飛行設施部（Wallops Flight Facility，NASA WFF）的研究人員對氣球材料進行了一系列試驗，包括單軸拉伸加載試驗、雙軸拉伸加載試驗、低應力應變條件下的滯后作用和機械硬化行為試驗。其中單軸拉伸試驗方法簡單而且易于得到較為可靠的試驗數據，但是拉伸時與拉伸方向平行的強度隨著拉伸比的增加而增加，垂直于拉伸方向的強度則隨之下降。雙軸拉伸可用來防止單軸拉伸時在薄膜平面內垂直于拉伸方向上強度變差的缺點，是改進高聚物薄膜或薄片性能的一種重要方法。

以上試驗的目的是研究聚乙烯薄膜的破壞極限，并最終提出了應變極限假說。該假說假設超壓氣球是基于屈服應變標準設計的。屈服應變標準是根據聚乙烯薄膜的連接分子在拉伸矯直等有限變形范圍內的形態行為建立的。假設規定，超壓氣球在正常的工作壓力下，如果總的應變維持在有限變形范圍內，薄膜就不會出現破裂現象。WFF使用直徑8m、具有48個三角形布條（gore）的超壓氣球和直徑30m具有230個三角形布條的超壓氣球（圖5）對極限應變假說進行驗證。試驗結果表明，雙軸應力即使超過由Sterling和Rand規定的雙軸蠕變應力極限，薄膜仍不會失效。平均而言，聚乙烯薄膜最大應變小于5%[6]。

圖5 直徑8m的48gore超壓氣球（左）和直徑30m的230gore超壓氣球（右）Fig.5 An 8-meter 48-gore （left） and a 30-meter 230 gore （right） super pressurized balloon

4 超壓氣球的熱性能建模研究

高空氣球是一個熱力飛行器，飛行環境隨高度不斷變化。氣球飛行過程中，輻射換熱與對流換熱對其熱特性有很大的影響。熱特性變化及環境熱效應對高空氣球的安全可靠性與控制有很大影響。因此建立熱模型，對氣球進行換熱分析，是非常重要的。

高空氣球熱模型的研究逐漸從簡單到復雜。最初只是零維模型，如Kreide建立的平均溫度模型[10]。該模型考慮了太陽直接輻射和地球反射輻射、地球和大氣的紅外輻射、對流換熱和殼體本身輻射，但假設殼體溫度處處相等。Franco發展了三維氣球熱模型[11]，此模型考慮了太陽輻射、地球反射輻射和地球紅外輻射，但沒有考慮對流換熱。目前研究采用的熱模型均進行了較大簡化，尚難以較準確地反映高空氣球的熱特性。

高空氣球的熱特性研究一直是NASA氣球工程的一部分，而且是發展ULDB十分必要的一個方面。超壓氣球的幾何結構與外形均與傳統的氣球模型不同，完全適合ULDB的熱模型仍需要進一步研究。Garde在傳統球形熱建模的基礎上，利用AutoCAD的附加套裝軟件——熱單元的有效元軟件（Thermal Desktop），對超壓氣球進行熱模擬，得到了超壓氣球的設計模型，以及不同材料、不同環境對球體溫度分布的影響[12]。

環境對高空氣球熱特性的影響因素是復雜的，在未來的研究中，云層、飛越海洋、晝夜交替等的影響，都需要做進一步的研究。

5 ULDB試飛試驗及進展

應用于長期監視偵察任務的高空科學氣球應是一種比較穩定的長時期觀察平臺，且具有搭載一定質量有效載荷的能力。1989年開始的長時氣球（Long Duration Balloon，LDB）工程使用的是零壓氣球，然而零壓氣球進行長時間飛行要借助極晝和環流，受緯度和季節限制，對于科學研究來說，其工作時間和工作范圍不能滿足要求，飛行時間需要更長，飛行緯度也要從高緯度轉向中緯度。1996年WFF正式向NASA總部申請了超長時氣球計劃，提出了100天持續飛行、有效載荷為1 600kg、飛行高度33.5km的目標，外形采用南瓜形。

ULDB試飛試驗是高空氣球研究中的重要部分，近年來NASA進行了多次ULDB試飛試驗（包括所資助的有關高校和研究機構進行的試飛試驗），獲得了大量的試驗數據，對ULDB的研究具有重要的意義。

5.1 2005-2009年主要的試飛試驗

在高空氣球研究過程中，NASA及其所資助的有關高校和研究機構，根據不同的研究目標，如研究高空氣球的飛行性能或進行不同的科學觀測等，進行了多次的試飛試驗，獲得了大量的試驗數據。文中主要列出了2005年到2009年間進行的部分試飛試驗[5、13-14]，見表1。

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5.2 高空氣球591N試飛試驗

由以上試飛試驗可以看出，隨著ULDB技術不斷地發展，試驗越來越成功。其中2008年12月28日由WFF在南極麥克默多站發射的591N測試結果非常成功。591N的有效載荷680kg，飛行高度33.87km。這次飛行試驗的目的是：評估材料的性能、檢驗結構變化的可行性及提高氣球的整體性能。圖6[13]所示為氣球591N的飛行軌跡。

圖6 591N飛行軌跡Fig.6 Flight trajectory of 591N

591 N實際的飛行性能與飛行預測非常吻合，這次飛行各項指標都達到甚至超過了預期的目標。這次飛行創造了該類型氣球飛行時間的最高記錄，飛行時間長達54d1h29min。整個飛行過程中，都保持在設計的高度和壓力上。每日的飛行高度變化都在100至150m之間，與同一季度在南極試飛的較成功的零壓氣球相比，高度變化降低了約1個數量級，而且飛行過程中沒有檢測到明顯的氣體損失。如圖7[4]所示，分別為高空氣球591N、590N、589N飛行過程中晝夜高度變化。飛行結束后研究人員分析，整個飛行過程中氣球的性能并沒有下降，氣球還可以繼續飛下去[4]。

圖7 高空氣球591N、590N、589N飛行過程中晝夜高度變化Fig.7 Altitude variability of balloon 591N，590N and 589N

這次飛行試驗的成功表明距離ULDB的目標更進了一步。氣球材料性能試驗、模型結構分析試驗等仍在進行中，期待著下一次試飛試驗能夠取得更好的結果，早日實現最終的目標。

6 結束語

從NASA高空氣球的研究及其發展來看，結構、材料、熱建模和飛行試驗等各項技術都在不斷發展，高空氣球的飛行性能越來越好，相信ULDB很快便會實現100d的飛行目標。以前高空氣球多用于高空科學觀測試驗，隨著技術的發展，美國等一些國家正在開發其軍事用途，因此對ULDB飛行性能的要求會越來越高。此外，大載荷氣球、質量更輕的儀表包裝、減少著陸沖擊負荷、自動降落傘釋放等技術，也是NASA在高空氣球領域的重要研究方面，這些技術對提高氣球的整體性能十分重要。

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