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气球与早期科学观测

气球是利用浮力原理升空的飞行器空。中国古代的孔明灯笼是热气球的早期原型。它利用松节油等燃料维持灯笼内空气体的高温低密度，在重力场下在大气中产生浮力，用于节日活动和传递军事信号。1983年9月，作为造纸商的法国蒙塔古兄弟在凡尔赛广场向皇室和公众演示了热气球飞行。两个月后，他们完成了人类首次载人飞行，因此法国被视为气球的故乡。之后是气球，飞艇等。以高浮力的氢气为漂浮气体，用橡胶织物包裹作为气囊。它们曾被广泛应用于军事、交通和科研领域，但后来著名的齐柏林(Zeppelin)跨洋客运飞艇因静电引发的氢气爆炸事故而没落。而热气球延续至今，成为拥有众多爱好者的体育娱乐项目。

图1 1983年法国气球飞行前200年的明星片。

气球与科学早期联系的一个著名例子是奥地利物理学家赫斯用气球发现宇宙射线的实验。20世纪初，空气体电离是研究热点之一。起初，人们以为是地面上的放射性元素造成的。赫斯是物理学家，也是气球飞行的爱好者。1911年至1912年，他携带沃尔夫式金箔验电器，在氢气球上进行了7次飞行实验。即使在现在，这也是科学探索的壮举。他发现海拔越高，空气体电离越严重。5390米高空的大气电离率是地面的5倍，说明空气体电离的来源“可能是来自Tai 空”的贯穿辐射，即宇宙辐射。1914年，德国物理学家科尔霍斯特将气球升至9300米，测得空气体的电离度是地面的9倍，证实了赫斯的结果。

图2 1912年赫斯气球实验的场景。

宇宙射线的发现促进了粒子物理学的发展。从1932年到1953年，在宇宙射线和与大气相互作用的产物中发现了正电子、μ子、π介子、λ超子。

介子等。，成为粒子物理研究的先驱。赫斯与发现正电子的安德森分享了1936年诺贝尔物理学奖。1947年，30公里高的气球实验揭示了宇宙射线除质子外还包括氦核和各种重核，开启了粒子天体物理学的大门。

图3大气电离率随高度的变化(左:赫斯，1912；右图:科尔霍斯特，1913年)

现代科学气球和科学观测

二战后，由于高分子材料的技术进步，气球开始由薄的、耐低温的、廉价的聚乙烯薄膜制成，气球薄膜的重量从每平方米300克减少到20克左右，这是一个很大的进步。简单分析可知，气球在天花板高度的浮力和重力平衡为:W = V (ρa-ρg) g，其中W为总重量，V为气球的体积，ρa和ρg分别为天花板高度的大气和漂浮气体的密度。气体密度与压力的关系为ρ = μ p/rt. T为空气温度，R为一般气体常数，μ为气体的分子量，单位为克。将两个公式结合，得到用气压表示的气球天花板公式(注意气压越低，高度越高):

公式显示了天花板高度与气球体积和系统总重量之间的确定关系(公式右边的前一项在平流层基本上是一个固定值)。气球体积越大，高度越高，这就大大降低了气球的自重，可以携带相当重的载荷到达很高的高度。

气球的高度和载荷对科学研究非常重要。现代气球多采用零压“自然形状”设计，有纵向加强筋，充有氢气或氦气(现在多采用氦气)，体积几万到几百万立方米，载重几百公斤到几吨，高度30-45公里以上。上面剩余的大气层只有地面的1%到0.1%，漂浮在大气层顶部，成本相对较低，实验灵活，准备周期短。它广泛用于红外线和X射线。日落时零压气球消失，漂浮的气体会降温，体积会缩小，需要通过投掷压载物来恢复其飞行高度(每晚系统重量的5%~7%)，这就限制了其飞行持续时间，约为2~3天。

随着技术的进步，科学气球在空到空之间已经发展成为一种成熟的研究工具。美国国家航空航天局(NASA)、国家空间研究中心(CNES)、俄罗斯科学院、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、瑞典空研究中心(SSC)、印度/[/]

1961年，美国国家基金会(NSF)出资在科罗拉多州建立了一个气球设施。1973年，它正式成为国家科学气球设施(NSBF)，并于1982年移交给美国航天局。2003年，它被重新命名为CSBF，以纪念哥伦比亚号航天飞机坠毁。NASA总部负责科学气球任务规划和技术发展规划，GADEN和Wallops中心负责技术研究。

NASA提出了气球利用程度和效益最大化的方针。它在得克萨斯州的伯利斯顿、新墨西哥州的萨姆纳堡和阿拉斯加的费尔班克斯基地建立了气球站。1990年，它在南极洲麦克默多(南纬70.5度，西经157.5度)建立了一个长期绕南极飞行的站。它还与巴西、澳大利亚和新西兰合作，飞越南半球的海洋。美国的气球活动规模较大，体积30万~ 110万立方米，最大170万立方米，最大载重3.6吨。它们被分发了2000多次，与NASA的空计划密切配合，取得了显著的效益。

图4科学气球的典型结构。112万立方米气球起飞时高度200米，高度空直径140米。

图5典型动态气球投放:气球头部被滚筒约束充氦，吊舱锁在移动平台上，球上升前进后解锁。右上高空充气气球和下排气管。

图6美国伯利斯顿站发放气球的航拍照片。

1998年，美国宇航局启动了超长时间气球计划(ULDB)，致力于开发大型过压气球。目标是体积73.6万立方米，高度35公里，载重2吨，固定高度飞行100天。它的能力可与卫星相媲美。超压气球日落时内压降低，体积不变，可以长时间高空飞行，但技术难度较大。

尽管ULDB落后于原定计划，但技术进步是显著的。2009年，在南极洲创下了20万立方米的过压气球在固定高度飞行54天的记录。2013年53.22万立方米超压气球，载重2吨，飞行32天。2016年，另一个53.22万立方米的超压气球(编号662NT)在新西兰成功发放，携带1.25吨的康普顿光谱仪和成像仪(COSI)，在33.5公里的高空飞行46天。分离舱在

图7美国ULDB超声波压力气球

在比例实验中，球体为南瓜形，是一个形状稳定的欧拉体。

图8搭载COSI的662NT超压气球起飞场景，天花板飞行中的超压气球在右上方。

同时，利用南极夏季不落的条件和极地涡旋环形气流，美国大型重型零压气球在南极的长时间飞行中取得了巨大成功。从1995年到2012年，它进行了44次飞行，其中单圈(8-20天)22次，双圈(20-32天)6次，三圈(35-42天)4次，最长的55天。大力支持南极气球的高价值科学活动。

图9 2013年超级老虎项目绕南极3圈55天的轨迹是NASA重型零压气球的续航记录。

作为现代法国气球的发源地，我们非常重视科学气球。法国CNES有一个气球部，是欧洲气球活动的中心。笔者访问CNES时，CNES的负责人说，“我们在空之间投入了1%的预算在科学气球上，获得了10%的利润”。法国国内的气球站包括Arie sur l'Adour和阿尔卑斯山的Gap。他们曾经从意大利西西里岛飞越地中海到西班牙，从2013年开始在加拿大飞行2到3天。法国发放了1000多个气球，其中最大的一个气球有120万立方米，用的是软的方式。

图10法国独特的“软”起飞方式，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。

法国红外热气球和中小型过压气球独树一帜。红外线热气球体积约45000立方米，载重50公斤。由氦空上升，逐渐被空气体取代。夜间受地面长波辐射加热，昼夜高度30~18公里。特别适用于大气廓线研究。2001年，它创下了绕赤道飞行71天的记录。

位于JAXA的日本宇宙科学研究所(ISAS)设立了一个气球部，该部已经开展了50年的科学气球活动。前期气球站在三鹿，后来搬到北海道太木。发放了600多个最大体积60万立方米的气球，研制了超压气球和轻型高空气球(球形膜厚度小于3微米，高度59公里)。它们是1993年在南极洲的Syowa基地建立的。科学气球在日本的科技实验中起着重要的作用空。

瑞典是北极地区气球活动的中心。1974年，瑞典空中心在基律纳市设立了Esrange基地(68 N，20 E)进行气球飞行，最大气球体积110万立方米，飞行600多次。瑞典与俄罗斯签署协议，气球吊舱可以在俄罗斯降落，飞行时间为3天至一周。很多国家去瑞典进行极地之间的物理和大气科学的研究空。

图11 KTH脉冲星X射线偏振望远镜PoGO，一个110万立方米的气球在基律纳上升空。

印度于1969年在海德拉巴建立了一个气球基地和国家气球研究所(NBF)，该基地位于地球磁场赤道(8° N)附近。有其特殊的地理优势，放飞了500多只高空气球，多为10 ~ 20万立方米。1997年后，分别成功放飞了40万和74万立方的气球。

科学气球系统包括气球球体、分配系统和基地设施，以及视距或卫星中继测控数据传输系统、气球吊舱能量、定位、姿态控制、浮力控制、电子和数据管理系统、飞行安全管理系统、吊舱回收降落伞等系统，以及搜索、回收和运输设施。所有国家都配备了具有标准化和可组合功能的先进设备。

气球科学观测的3个重要例子

利用科学气球开展了大量的天体物理、宇宙科学、大气科学和地球科学研究，领域广泛，成果丰硕。以下是一些有代表性的项目。

BOOMERANG(回转器)，美国宇宙微波背景探测气球实验。微波背景的发现(1964年)和COBE卫星结果(1989年)有力地支持了大爆炸和暴胀理论，获得了诺贝尔物理学奖。然而，宇宙背景的微小不均匀性包含了大量关于量子涨落(声波振荡)、背景光子与天体的相互作用以及大爆炸后约37.6万光年高速膨胀期宇宙结构的信息，需要用比COBE卫星角分辨率高得多的设备进行测量。1998年，美国执行回旋镖任务，带着80万立方米的气球在南极洲飞行了11天。获得了分辨率小于1度的局部宇宙微波背景图，清晰地刻画了微波背景的不均匀性，测量出宇宙的相对密度ω 0在误差范围内为1。

图12显示探测结果与几何扁平宇宙理论模型的结果预期非常吻合，即宇宙中总质量产生的引力使其既不坍缩也不撕裂。气球观测结果为2003年发射的威尔金森卫星WMAP提供了坚实的基础，其重要的科学结论也得到了证实。

图12。回旋加速器观测到的宇宙背景的不均匀性图(上)，与宇宙弯曲和平坦模型的预测图(下)相比较。

美国和日本的合作项目——气球超导磁谱仪BESS，测量宇宙射线中的低能反质子，寻找反氦核，研究宇宙早期的基本粒子过程、原始黑洞和暗物质的证据。它开始于1990年，早于丁肇中先生的AMS项目。探测器包括薄壁超导磁线圈、内漂移室、轨迹漂移室、飞行时间闪烁示踪器等。1997年以后，气凝胶Cherenkov计数器被用来代替漂移室。

缺少反物质是粒子物理学中的一个重要问题。1955年，在伯克利的贝瓦特龙加速器首次发现反质子(1959年获得诺贝尔物理学奖)。1979年，美国科学家用气球磁谱仪测量了130~320 MeV能量区的28条宇宙线中的反质子，它们的反质子/正质子流比远远超过了宇宙线与星际气体的相互作用模型。因此，反质子的宇宙起源成为一个重要的问题。1989年中苏长期气球合作期间，笔者听列宁格勒物理技术学院的科学家说，他们在美国人之前用气球磁谱仪发现了宇宙反质子，很可能是当时冷战的“铁幕”掩盖了苏联科学家的成就。

图13 1993年，作者在KEK的BESS探测器前。

从1993年到2002年，BESS在加拿大林恩湖气球站进行了9次气球飞行，探测到2400多个反质子，升级为BESS-Polar。2004年在南极飞行了8.5天，2008年飞行了24.5天，获得了8000多个反质子。反氦/氦比阈值低于3×108，这是当时最重要的结果。

美国南极气球天文计划，与ULDB计划同步，NASA收集了大量气球天文任务提案，经过优化，形成了南极气球天文计划，包括约20个具有原创科学思想和研发新一代尖端仪器的项目。由于超压气球仍在测试中，该项目主要采用大型零压气球实施。很多项目飞了很多次，任务一直持续到现在。这是科学气球史上最雄心勃勃的项目。

图14南极气球项目气球分布场景

南极气球天文学计划由两部分组成:粒子天体物理学和非粒子天体物理学。粒子天体物理学分为三个方向:宇宙线起源加速、中微子天文学和暗物质/反物质。重要项目有:先进的薄离子量能器ATIC、宇宙线能量和质量探测器CREAM、宇宙线电子同步辐射望远镜CREST、星系全离子成分记录仪Super-TIGER、南极临时脉冲天线ANITA、总反物质质谱仪gap(寻找氘和中微子的湮灭通道)在ATIC项目中，中国科学家常进建议同时观测高能电子和伽马射线，改进粒子鉴别方法。经过2002-2007年56天的4次飞行，发现电子谱在300-800千兆电子势区有显著的“超级”，引发了多项空任务观测初级宇宙线电子，推动了我国暗物质探测卫星DAMPE的建立和重大成果。安妮塔用一种非常奇特的方法，用40个超宽带四角高灵敏天线探测中微子二次效应的电磁脉冲。实际上，在2009年为期30天的飞行中，探测到了两种可能的宇宙中微子情况。

非粒子天体物理学安排了大爆炸宇宙学方向，X和伽马射线源，系外行星/宇宙学等。主要项目有:ARCADE，宇宙学/天体物理学扩散辐射绝对辐射计，EBEX，NCT，平流层THz天文台，BLAST，球形大孔径亚毫米望远镜，HALO(暗能量)，高空透镜天文台。多普勒灵敏核伽马探测DoGONE、球面系外行星光谱望远镜BEST(直径0.75m，offner光谱仪)、行星离子碳谱仪ICarbS、系外行星尘埃盘探测Zidiac等。都是很新颖的项目。ARCADE使用新的厘米波(3-100mm)精密差分辐射计测量宇宙背景，超流氦用于制冷。EBEX使用了一台2m望远镜和1500个超导量子干涉换能边缘传感器来测量大爆炸，在10-35秒的浪涌期间，背景上留下了初始的引力波印记。

图15同温层太赫兹天文台STO/STO-2，其次是阵风，探测星际介质和水蒸气，恒星和星系的形成。

美国南极气球计划取得了许多成就，如ARCADE发现了CMBR的强射电发射源，LSU间接探测了暗物质迹象，BLAST发现了星系形成的重要现象。奶油和缝隙的后续探测器已经送到国际空站。作者认为其最重要的意义是引领研究方向，加强研究深度，激发科学家的潜能，培养大批人才。

以及环境和大气研究。科学气球在大气、海洋科学和全球环境研究中发挥着重要而灵活的作用，仅举几例。hi bus-芙蓉项目是欧盟委员会关于“全球变化/气候和生物多样性”的大型国际合作项目(2002-2004年)，与欧空局的环境卫星和美国航天局的SAGE III卫星合作，进行了23次零压和过压气球飞行。球载仪器包括紫外/可见/红外光谱仪、激光雷达、臭氧计、声表面波传感器、光学粒子光谱仪等。GAINS- NCAR全球大气和海洋原位测量计划(2006-2008年)，该计划利用数百个长时间飞行的“Windstar”可控过压气球在全球范围内组成观测网络，飞行高度为18-28公里，观测海洋与大气、火山爆发和藻潮的相互作用，与卫星观测形成互补；极地大气研究-CNES-NCAR合作项目，布设了19个超压气球，利用向下探测空、紫外臭氧计、粒子计数器、GPS掩星等方法，研究了区域大气动力学、极地中尺度重力波的微物理/化学过程和臭氧消耗动力学。和卫星红外辐射冰面数据进行了订正，以改进数值天气预报。上述计划都取得了重要的综合效益。

重要空技术测试，举几个典型例子。有翼飞行器再入试验:日本在90年代初研制了小型航天飞机，需要解决航天飞机高速进入稀薄大气的气动特性、气动热防护、稳定性控制等关键问题。日本ISAS在平流层用气球释放了航天飞机的缩比样机，在重力和动力的综合加速下达到了要求的试验条件，获得了姿态、结构响应和振动、气动加热等大量动力学参数和机体温度场分布等重要参数。火星低密度超音速制动(LDSD)测试:为了开发一种新型的火星着陆技术，美国宇航局使用一种直径为33米的巨型旋转超音速“飞碟”来减缓飞船进入稀薄的火星大气层的速度。为了测试这项技术的有效性，提高其成熟度，在夏威夷建造了专门的测试场地，将测试系统通过气球空升空至太平洋约36千米高空。2012年进行了缩尺试验，2014年和2016年进行了两次全尺寸试验，发现了相关技术问题。测试仍在继续。

图16夏威夷建造的气球设施。LDSD的载荷重3.6吨(包括火箭发动机)，需要在高空加速到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、火星大气平面等太阳系天体的气球探测技术研究，并在地球大气中开展了一系列模拟实验。上世纪90年代初中苏气球合作期间，苏联列别捷夫物理研究所的科学家提出，苏法合作“火星96”项目计划利用夜间降落、白天上升空的气球，在较大范围内探索火星的风场和地表物质组成。需要在地球高度空模拟容器发射火星气球的实验，希望中国提供60万立方米的气球。笔者为此走访了苏联负责月球和行星探测的巴巴金空中心，最终落实了中方提供气球，苏方交换我们需要的氢气设备的合作。

气球科学涉及领域广泛，方法灵活多样。它与各国的研究和各种科学计划紧密配合，在探索引领、激发创新、凝练科学目标、开发实验方法、验证关键技术、锻炼队伍等方面发挥着重要作用。

本文选自《现代物理知识》2020年第2期本文选自《现代物理知识》2020年第2期。

原标题:漂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

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