高空氣球的發展現狀

曹潔 高國柱

【摘 要】介紹了高空氣球的特點及研究意義，綜述了國外近些年高空氣球的發展，主要介紹了美國NASA的長航時超壓氣球計劃、平流層氣球PoGO+項目和法國CNES高空氣球ZPB等。

【關鍵詞】高空氣球;特點;發展現狀

中圖分類號： V273 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0183-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.075

Status of Development on High Altitude Balloon

CAO Jie GAO Guo-zhu

（Air-floating Platform Department，No.38 Research Institute of CETC，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】The characteristics and positive significance of high altitude balloon are introduced. Then， the development on overseas high altitude balloon about recent years is summarized， especially NASAs ULDB project， the stratospheric balloon mission PoGO+ and ZPB of CNESs high altitude balloon.

【Key words】High altitude balloon; Characteristics; Status of development

0 引言

高空氣球是一種無動力推進裝置、無系留纜繩約束、在風力和浮力（向氣囊內充入輕質氣體產生，通常為氦氣）作用下自由漂浮的浮空器。根據氣球內部壓力與外界壓力差的區別，高空氣球可以分為零壓氣球和超壓氣球。

零壓氣球是最常見的自由氣球，從20世紀初一直廣泛使用至今，采用“自然形”的外形設計，蒙皮選用耐低溫聚乙烯薄膜。超壓氣球是一種新型的高空氣球，與零壓氣球的開放式結構不同，采用耐高壓的薄膜材料以及新型結構設計，球體封閉。

由于高空氣球具備許多其他飛行器所不具備的特點，例如飛行高度高，駐留時間長，成本低，準備周期短，隱身性和規避性好，易于靈活實施，垂直起降不需機場跑道，飛行安全性好，噪聲低，耗油量少以及信號傳遞及時等。因此，近些年高空氣球的發展越來越受到重視。高空氣球飛行系統主要由氣球球體、纜繩和吊艙組等組成。吊艙內裝有有效載荷（遙測遙控設備等）、電源、以及壓艙物等。高空氣球憑借其突出的特點，具有廣闊的應用前景和巨大的民用、軍事價值。

國外有許多研究機構針對高空氣球開展試驗研究，目前最具代表性的項目有美國NASA開展的長航時超壓氣球計劃、瑞典航天公司開展的平流層氣球PoGO+項目以及法國CNES的高空氣球ZPB等。本文將著重介紹這些項目近幾年的研究進展。

1 美國NASA的長航時超壓氣球計劃

1989年至今，NASA、美國空間和天文研究院（ISAS）及Rave公司等在長時滯空高空氣球的技術方面做了很多研究，從最初的長時氣球（LDB，Long Duration Balloon）工程發展到長時氣球飛行器（LDBV，Long Duration Balloon Vehicle）研究計劃，再到現在的超長時氣球（ULDB，Ultra Long Duration Balloon）工程。計劃中采用的氣球形式從零壓氣球、過壓氣球發展為現在的超壓氣球。至今，NASA已經進行幾百次試驗，主要飛行試驗氣球的編號有540NT、555NT、586NT、591NT、616NT和631NT。近幾年試飛試驗氣球的編號有559NT、662NT和669NT。

表1給出了ULDB近幾年飛行試驗情況（編號為591NT、608NT、616NT、631NT、659NT、662NT和669

2 平流層氣球PoGO+項目

PoGO+項目[1]是一個于2015年10月份開始啟動的平流層氣球項目。該項目由瑞典航天公司（SSC，Swedish Space Corporation）管理，并且負責氣球的吊艙結構、系統管理、通信系統、能源系統和氣球飛行系統等部分。此外，瑞典航天公司還負責氣球放飛、飛行以及回收工作;瑞典皇家理工學院（KTH）負責儀器、X射線偏振儀以及整個子系統的控制、監測系統和相應的設備;美國新墨西哥州立大學（New Mexico State University）負責飛行系統中的一部分。

PoGO+項目的任務使命是發現和描繪來自蟹狀星云和天鵝座X-1的伽馬射線。通過攜帶所設計的載荷設備，經過將近一周的飛行成功地完成了上述提到的任務。PoGO+項目采用Aerostar SF-39.57氣球，載荷重量為1728kg。

為了完成如此長時間飛行試驗，在夏天放飛氣球是很有必要的，此時整個北極的風場是西風方向（從東向西）。PoGO+氣球在2016年7月12日03：17放飛，歷時五個多小時的爬升，達到40km的巡航高度。初始升空速度大約為4m/s，由于平流層溫度較低導致升空速度緩慢，在達到指定高度之前氣球升空速度降到2.6m/s。放飛的氣球從瑞典的Esrange航天中心橫渡大西洋，歷經7天飛行，在2016年7月18日的22：26著陸于加拿大的維多利亞島（溫哥華島南端一個港口）。整個巡航階段，氣球的飛行高度處于36743m至40573m之間。

3 法國CNES高空氣球ZPB

作為歐洲研究高空氣球技術最先進的機構，法國CNES擁有50年以上的相關經驗和超過3000次氣球飛行經歷。CNES已經研發了兩個系列的氣球，一種是平流層氣球（飛行高度可超過40千米），另外一種是對流層氣球。對于平流層氣球，CNES研制了零壓球ZPB和超壓球SPB兩種類型的氣球。

從2007年，CNES開始設計控制浮空器的新型操縱系統（NOSYCA， New Operational System for the Control of Aerostat），其飛行部分如圖1所示。NOSYCA氣球飛行系統的飛行部門主要由放氣閥、氣球囊體、囊體吊艙、主分離系統、降落傘、工作吊艙、S波段吊艙、閃光燈、輔助氣球、載荷吊艙等組成[2]。

2015年，CNES在加拿大的蒂明斯市開展了代號為“Strato-Science”的平流層科學活動[3]。此次科學活動時間為2015年8月12日至9月30日，期間安排了6次飛行試驗，其中4次試驗攜帶法國和歐洲科學協會的任務載荷，另外2次攜帶加拿大的任務載荷。通過這些飛行試驗，所有的計劃和任務均圓滿完成。

2016年8月和9月，CNES執行了兩次飛行試驗。2017年3月11日至4月20日，CNES安排了3次飛行試驗并取得圓滿成功。CNES飛行試驗情況如表2所示。

4 結語

從目前的發展現狀來看，隨著能源、材料、結構及輕質氣體技術的發展，高空氣球的飛行時間、飛行高度均可極大提高。在可見的未來，高空氣球可以實現搭載偵察監視預警、通信導航和智能通信網絡等駐留高空達數年。

【參考文獻】

[1]C. Lockowand， M. Abrahamsson， M Pearce， J-E Str mberg. The Stratospheric Balloon Mission PoGO+ from Esrange to Victoria Island， Canada[C].AIAA Balloon Technical Conference， 2017.

[2]V. Dubourg， A. Douliez， S. Louvel， et al. 3 balloon campaigns in 10 months-3 Outback balloon flights in a fortnight： a challenge made true！[C]. 15th International Conference on Space Operations， 2018.

[3]Vargas， A.， Dubourg， V.， Cocquerez， P.， Raizonville， P. The CNES 2015-2017 Balloon Program[C]. AIAA Balloon Systems Conference， 2017.