互动科普

气球为科学家们研究地球以及其它行星的外层大气提供了一种成本低、反应快的手段。

美国国家航空航天局的科学家和工程师对“老狗学不会新把戏”的陈腐观念不屑一顾，他们正在变革气球——人类最古老的飞行工具——的尺寸、形状、留空时间和耐力，事实上，是有关气球的一切。尽管气球的飞行史已有200多年，并且科学家们长期将其用于多种研究使命，但气球的留空时间始终限制着它的作用。如今，多亏大大改进的计算机技术、高技术材料以及先进的设计，留空时间更长的气球随时准备着开辟高空研究乃至空间探索的新领域。在一个预算一再紧缩的年代，在“更好、更快、更省”的思想指导下，美国国家航空航天局正在鼓励科学家和工程师们在科学探测气球事业上奋力开拓，大胆创新。

如今，研究人员正把着眼点放在地球大气上层上，从而设计出能留空多达100天的新型气球。2001年12月，目前正在由美国国家航空航天局哥达德空间飞行中心(设在马里兰州)研制的一个巨大的南瓜形气球将从澳大利亚或新西兰的某地放飞，并进而漂移地球大气上层一一比喷气式客机的飞行高度高4倍，它将在那里停留数月之久。由于该气球是通过地球卫星经一地面站与互连网相联的，地球上的科学家将有机会接触其仪器——其中包括“跨铁星系元素记录仪”(the Trans—IronGalactic Element Recorder，TIGER)，它负责测定银河宇宙线的元素含量——所测得的数据。

许多科学家都把气球技术看作研究上层大气和外层空间的节俭的手段，超长留空气球计划也将给他们带来希望。气球的飞行费用可以只及火箭费用的一小部分，并且气球携载的仪器可以收回、调整(tweaked)和再次放飞。科研用气球已达到52千米(合32.3英里)的高度，并且所携载荷多达3600千克。由于有能力达到平流层的极限(那里的大气干扰实际上为零)，超长留空气球有朝一日将可以携载一台宇宙观察能力堪与哈勃太空望远镜媲美的大功率望远镜，这样的望远镜会因太大而无法用火箭携载。

由火箭运送的气球还可以使人类的科学观测活动超出地球大气层而达到其它行星及其卫星的大气层。希望利用气球进行研究的行星科学家都很关心诸如大气化学、大气动力学、古地磁测绘、地质堪探以及超高分辨率成象等领域。

在地球上空飘飞

公元前240年，阿基米德最先发现了使气球能够飞升的浮力原理。然而，2000年过去了，人类才于18世纪末将这一原理付诸实践。科学探测气球技术始于l9世纪末，当时，在认识大气的早期尝试中，这种新技术被用来测定温度和湿度。在美国的南北战争中，气球首次用于军事目的，当时将气球用作观察军队运动状况的瞭望台。20世纪40年代末至50年代初，美国海军的一项计划采用了聚乙烯，它标志着现代气球技术时代的到来。这项新技术使得气球能够达到平流层即离地15千米至50千米(合9．4英里至31．3英里)的高度，并使得气球的载重量更大，留空时间更长。载人气球飞行通过检验太空服和评估人体对近太空环境的反应，使美国的载人空间计划得到了帮助。1960年，美国国家航空航天局一枚火箭将第一颗气球实验通讯卫星——回声1号(Echo I)——发射升空，这颗卫星以约1600千米的高度，绕地球运行了近8年之久。25年以后，一个由原苏联领导，并有法、美两国参加的国际小组建造并在金星的云层中成功放飞了两只气球，它们离金星表面只有54千米高。

除了货物载运能力有限(只有航天飞机能够载运和大型气球一样多的货物)以外，宇宙飞船还有一个缺点，那就是在让其传感器升空之前，要花费数年时间。1987年，仅在发现超新星(约400年出现一次的星系恒星大爆炸)1987年后的三个月之内，由气球携载的传感器就对这颗新星作了观察。由于这个原因，现代宇宙飞船所载运的许多仪器都是以最初通过气球放飞并证明的技术为基础的。

现今的科学探测气球通常属于两种类型——零压力式和超高压力式——之一。美国国家航空航天局的气球大多属于前一种类型。当气球内充有足以抵销其总重(包括载荷在内)的氦气时，零压力式气球就可以离地升空了。要使这种类型的气球飞升，氦气必须提供“自由升力”(freelift)——这是科学探测气球的专用术语，意为“超过气球和载荷总重的升力。”(这一升力是由阿基米德的定理确定的，该定理认为，浸没于任何一种流体的物体所经受的浮力的大小等于被排开的流体的重力。)随着气球的上升，大气密度减小，气球内的气体体积扩张，直到气球的蒙皮被完全充满为止。此时，气球蒙皮内外的压力相同(即为零压力)，但由于气球的重量低于被排开的空气，气球仍在飘升。一旦达到了所要求的36千米到40千米的高度(通常在2至3小时内即可达到)，气球底部的管道便排出多余的气体，从而使气球保持稳定，并防止薄薄的聚乙烯蒙皮破裂。由于气球向大气层释放了一些气体，这种零压力设计便被说成是向大气层“开放的”。

在白天，随着太阳不断地加热气球，气体一再被排出气球体外；随着夜晚的逼近，太阳的加压作用减低，气体不断冷却，气球的体积一再收缩，气球便开始下降。为了保持一定的高度，气球的压载(通常重量为气球总重的7％到10％)便一再减轻。第二天，太阳的加热作用和冷却过程又重新开始，因此，开放式气球的留空时间是由所载压载物的重量限定的。

由于一般的科学探测气球留空时间仅为1至2天，因而要完成实验，就常常需要多次放飞。一种使成本低廉的作法是在近极地区域放飞气球，因为那里要么实际上是不问断的白昼，要么是连续的黑夜。美国国家航空航天局在阿拉斯加的费尔班克斯和南极洲的麦克默多考察站行了数量有限的放飞，那里的夏季稳定的日照使得气球可以留空2至3周之久。一旦气球试验得以完成，无线电指令就使得气球同载荷分离，载荷随降伞返回地面，以供回收，并时常被重新利用。气球也要返回地面，但是被废弃不用了。

使留空时间更长

要造出留空时间大大延长以及适宜于行星际飞行的气球，研究人员就需要使气球具备远为不同并大有改进的能力。超长留空气球计划1997年由美国国家航空航天局空间科学处创始，哥达德空间飞行中心奔驰飞行实验室(WallopsF1ightFacility，WFF)负责管理，其目标是制造能在99％以上的地球大气层漂飞多达100天的气球。超长留空气球是一种超高压力式即“封闭型”气球，它不像常规气球那样要向大气层排气。超高压力气球通常由聚酯一类更坚韧的材料制成，它像零压力气球那样充气后便封闭了。一旦超高压力气球达到了所要求的高度，太阳的热力就会迫使内压上升，直到内压超过了周围的外压为止。在这种情况下，气球内外的压力差就会升高。在夜间，当气球内的气体冷却时，压力差就会下降；然而，若是气球内充有足够多的气体，压力差就不会降到零以下。这样，气球就始终是充满了气的，并且无需减轻压载就能保持在稳定的高度。只要这种气球一直不能被氦分子或氢分子透过，它就能够一直留空。于是，超高压力气球就能用于留空时间远比零压力气球要长的飞行。

由于长期留空要求气球在最极端的环境条件下——在海洋、沙漠或极地冰冠上空——飞行，用于制作气球的材料就必须既坚韧，适应性又强。它必须能抗撕裂、戳破和穿孔，还要能抗紫外线的降解作用，并能以低成本制作。用聚酯薄膜制成的小球形超高压力气球已在低高度留空达数百天之久。在20世纪70年代，气球科学家们就试图将这类气球制得更大、载运能力更强、飞行高度更高，但聚酯薄膜本身的问题，包括抗戳破性能极低，使得科学家们无法大大增进超高压力原理。

对于超长留空气球计划，官员们的结论是，要使气球能留空数月之久，最佳办法是采用由具备所要求性能的不同材料构成的复合材料。许多不同的材料都得到了评估，其中包括薄膜、机织布、无纺布、薄棉布、聚酯、聚乙烯、尼龙、聚丙烯和聚氨酯，以及由上述材料构成的复合材料。最终选定的复合材料包括3层：由日本制造的一层30支高韧性聚酯蒙布、一层聚酯薄膜，以及一层聚乙烯薄膜。聚酯薄膜是防止氦气泄漏的主要屏障：聚酯蒙布则为这种复合材料提供了大量强度：而聚乙烯薄膜则负责容纳氦气、抗穿孔并带来额外的强度。聚酯蒙布和聚酯薄膜两者都具有某种程度的抗紫外线损伤能力。这三种材料由一种软性粘合剂结合在一起，粘合剂使蒙布纤维能够进行某种方式的重组，从而抵偿纺织缺陷和应付环境的改变。这样做的最终结果是获得了这样一种材料一一其密度为每平方米55克，强度为每米2600牛顿。

尽管这种复合材料的强度已有所提高，但工程技术人员仍然认为，单靠一种新材料仍不足以应付超长留空极端而多变的环境。这样，就还需要一种新的设计。基于美国、法国和日本的气球计划，超长留空气球计划的官员们选择了一种胜过大多数超高压力气球典型的球形设计的南瓜形设计。由于气球的气囊承载着大部分载荷，球形气球同时要受经线应力和周线应力两者之害。两者相比较，南瓜形气球更多依靠的是经线的“腱”，腱把称为“楔形三角布”的蒙布材料的多个片段结合在一起。南瓜形设计可将对蒙布材料的强度需求降低到仅每米600牛顿，大大低于这种复合材料的屈服强度。这一事实意义重大，因为周线应力乃是南瓜瓜瓣所造成的局部压力与局部半径的积。因此，南瓜形气球的大小对于决定气球气囊的周线应力不起任何作用。(这一经过改进的南瓜形设计又激励着工程技术人员去寻求上述复合材料更轻的改型，这样将会使可以升空的科学探测有效载荷更大。)

当超长留空气球于2001年12月放飞升空后，其携载的跨铁星系元素记录仪将测定原子序数为26(铁元素)至40(锆元素)、能量超过3亿电子伏／每核子的银河宇宙线的元素丰度。这将不是气球第一次帮助科学家们研究宇宙线。事实上，正是气球携载的传感器发现了宇宙线、天体物理学领域的γ射线，以及平流层本身。由于宇宙线能够提供超新星新合成的或起源于星际介质的星系物质样品，它对于某些科学家来说具有重大意义。

跨铁星系元素记录仪这一飞行计划仅仅只是开始。科学家们已经提出，依靠气球的力量，进行多种形式的科学探测——借助于光学和红外望远镜，搜寻太阳系外行星，或使太阳和其它恒星显象；借助于强烈的X射线、γ射线、宇宙线及宇宙微波背景等望远镜，观察宇宙；以及借助于平流层化学实验，进行多种科学探测。

利用气球探查行星

科学家们通过诸如“超长留空气球”等计划学到的所有新知识，有朝一日都有可能用于探查其它星球。6大行星——火星、金星、木星、土星、天王星和海王星——以及土星的九大卫星之一土卫六都有能够支持气球飞行的大气。然而，其中的每一种大气都会带来不同于地球大气的难题和挑战。空间研究人员希望气球能够提供探查上述行星大气组份和循环的低成本观察台，以及利用遥感器观测行星表面的观测台。气球还可以用作无人驾驶探测机的发射台，其中包括能够从行星表面提取样品的探测机。这些样品都可以送回地面再作详尽分析。

火星的大气或许提供了应用气球技术最新开发成果的最早机遇。由于火星海平面的大气密度与地球的平流层相若，因此，能在离火星表面仅数千米高度作环球飞行的气球必定和超长留空气球一样，也是一种能在平流层飞行的超高压力气球，这种气球能在火星大气中留空飞行数月之久。在火星上空飘飞的气球能够提供，而其它观测台(包括轨道卫星、着陆器和类似于“火星探路者”的漫游式探测器在内)却不能提供的是什么呢?基于表层的漫游式探测器能够探测行星的一小部分区域，而气球却能飞行得比它远得多，所观测的区域则要广得多。此外，尽管气球不能携载观测能力遍及全球的卫星传感器，但它们却能提供质量好得多的行星表面图象，并且它们能使诸如剩磁和表层下水等关键因素的观测成为可能。

20世纪80年代末，法、俄两国在火星气球探测计划上进行了合作，这是一项雄心勃勃的计划，它要利用一只载有成象系统的气球，并且要施放一根能在火星表面拖动的牵引绳，同时还要获取化学样品和进行物理探测。1995年，由于俄罗斯的财政问题，该计划被取消了。然而，2年以后，美国国家航空航天局又在法国的空间机构——全国空间研究中心——的研究基础上开始了规模小得多的火星气球(机器人气球)所需关键技术的研究。目前，该计划已带来了一种小质量充气系统，从而在1999年春天开始了一系列的平流层试验。

金星的大气层既比地球热，又比地球厚，它已被气球探测过。1985年，苏联与法、美两国合作，将两只气球施放在离金星表面54千米高处，在那里，它们漂飞了近48小时，并且沿金星表面飞行了一半的距离。利用上述飞行器所载仪器，科学家们得以证实，金星上确实存在强有力的高空风，并且还测定了金星大气的温度和压力。美国国家航空航天局协调了一种全球跟踪站系统，以测定这两只气球的位置和速度。

由于金星的大气层很厚，人们只能通过无线电和某些红外波长从太空对其进行观测；同时，由于金星的表面气温和大气密度太高，漫游式探测器或着陆器最多只能运行几个小时。因此，对于有兴趣探查金星表面的科学家们来说，气球可能不失为一种选择。称为“金星多用途探测气球”(the Venus Aerobot Multisonde，VAM)的设想预计要采用一只在金星大气上层飘飞的气球，并且要用这只气球向金星表面发送几只小型探测气球，在那里，它们将获得有助于解释金星演变的高分辨率图象和光谱学数据。即使是在当今的技术条件下，这一设想也是可行的。一项更加雄心勃勃的计划，即一种“可逆流体”气球，有可能从较冷的金星大气上层向金星表层——那里的温度为460摄氏度(合860华氏度)——作短暂的反复飘移。在取回样品之后，该气球会返回到金星大气上层，以使其仪器和电子设备冷却。用于这样一项飞行使命的一些基本装置(如能耐受表面高温和硫酸云的微型吊篮)现已被美国国家航空航天局研制出来。

两个研究小组(一个隶属于美国国家航空航天局，另一个属于欧洲空间机构)目前正在研究将金星表面的样品带回地球的飞行计划。两个小组一致认为，高温气球将在这样一项计划中发挥关键作用。高温气球可用来将岩石和土壤样品载送到离金星表面约60千米的高度，那里的金星大气足够稀薄，可供气球向其它飞船发射火箭，飞船将取回样品并返回到地球上。

土卫六是空间探索的主要目标，因为它可能仍然保存着未在太阳系内其它任何地方发现的生命前有机化合物。土卫六大气的光化反应会产生一种由有机物构成的橙色光雾，20世纪80年代，当“旅行者”号宇宙飞船从土卫六附近飞过时，正是这种光雾遮蔽了它的表面。据认为，土卫六既有由碳氢化合物构成的大面积的海洋，又有固态表面区域。土卫六的大气主要由氮构成，密度为地球的4倍，但气温却比地球低得多，只足以使之不液化。在这里，气球也有可能成为理想的探查台。土卫六机器人气球可以向表面作多次下降，以摄得近视图，甚至进行生命前化合物的就地测定，科学家们认为，这类化合物有可能包含解答生命起源之谜的答案。有朝一日，气球飞行计划将有可能帮助土卫六爬升飞行器(ascent vehicle)从其表面向地球发送样品。

在气球可以用于今日预计的许多空间探索使命之前，还有许多难题——其中包括一些不同的行星所特有的问题——必须克服。对于超长留空气球研制如此关键的新的气球材料对于行星研究使命更具有空前重要的意义。更坚韧的蒙布意味着重量更轻，也就可以使有效载荷更大。气球的气囊还必须耐受严酷的环境，如像以高温和硫酸云为特色的金星大气。气球携载的科学探测仪器还必须进一步缩小。此外，科学家们还必须弄清楚，怎样设法使气球消耗的能量降到最低限度来保证气球的飞行。

另一大难题是采用何种手段将气球发送到遥远的行星。在地球上，气球是从地面放飞升空；而在宇宙空间这一过程则颠倒过来了。为了耐受进入某颗行星的大气层时所经受的应力，气球要包裹在包囊之中从宇宙飞船向行星的大气层发送出去。然后，在向着行星表面下落的过程中，气球被打开和充气。所以，美国国家航空航天局正在研制用于太空飞行使命的简单而轻巧的气球施放充气系统。

无论是在何处飞行，气球都能为利用它们的科学家带来巨大的好处。由于资金的获得对于空间探索的前途具有极其重要的意义，那些耗资最少的科学家就有可能更加迅速地取得进展和成功。在许多情况下，气球所能带来的利润率都比宇宙飞船要高得多，正是出于这一主要原因，科学家们才纷纷要把人类最早的飞行工具带到一片片新天地。