NASA高空气球的研究及其进展

田莉莉 方贤德

（南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016）

1 引言

高空气球又称高空科学气球，是指在平流层飞行的无动力浮空器。美国是发展高空气球最早，技术最先进的国家。1986年“挑战者”号航天飞机失事之后，大量的科学观测计划开始借助高空气球平台，这在很大程度上刺激了美国气球技术的发展。同年，美国宇航局NASA（National Aeronautics and Space Administration）提出了高空气球的全面研究与发展计划，并于1987年开始实施。目的在于研究气球的结构、材料、飞行性能，从而提高气球的稳定性、持续工作时间以及有效载荷能力[1]。

高空气球的构成主要包括球体和吊舱。高空气球的球体是气囊，气囊内充以密度小于空气的气体，如氢气、氦气，依靠浮力上升。吊舱内除了装有有效载荷外，还装有电源、压舱物等[2]。除此之外，需要回收载荷的高空气球还配有回收伞以及球伞分离装置。高空气球具有留空时间长、价格低和回收方便等优点。

最初高空气球最长的工作时间只有几十个小时，并且随着昼夜温度的变化，气球的飞行高度有很大的变化。这些条件使得气球无法作为长时间观察监视的平台。随着技术的发展，一些关键技术，如蒙皮材料技术、气球超压技术等都取得了突破性进展，使得高空气球逐步应用于科学观察。又由于高空气球的滞空工作时间长、侦查视野广阔、效费比高等独特优势，其在军事方面也有着广泛的应用前景，目前美国等一些国家正在开发其军事用途。

本文重点从高空气球的结构、蒙皮材料、飞行试验等方面介绍了NASA高空气球的研究与发展，内容主要包括NASA近年来对高空气球结构设计、蒙皮材料和热特性的研究，以及超长时气球（Ultra Long Duration Balloon，ULDB）试飞试验成果。NASA高空气球的研究及其发展代表了美国和世界高空气球研究发展的最高水平，对其进行综述总结，对于我国高空气球的研究发展具有参考和借鉴价值。

2 高空气球的结构设计

根据气球内外压差的不同，气球可以分为零压气球和过压气球。零压气球即气球内外压力始终相同，而过压气球能够保证气球与外界的压差在零压以上。零压气球是自然锥形的，过压气球是南瓜形的（故又称南瓜气球），如图1所示。南瓜气球是一个扁圆的椭球体，它利用高强度、韧度的径向带和“载荷承力筋”来传递由于蒙皮压差和悬挂有效载荷产生在气球子午线上的力，并通过在气球接缝处产生“鼓包”大大减小蒙皮的曲率半径，从而降低了蒙皮上的应力载荷[3]。

图1 零压气球（左）与过压气球（右）Fig.1 Zero pressure balloon （left） and over-pressurized balloon （right）

2007年11 月，NASA对3种不同瓣角的高空气球（如图2所示）进行了爆破压力试验。通过试验测得，随着瓣角角度的增大，气球的爆破压力也逐渐变大，即相同材料下，南瓜形气球可以承受更大的压力[4]。

图2 3种不同瓣角的高空气球Fig.2 Three kinds of high-altitude balloon in various lobe angles

超压气球采用南瓜形，改变了气球的结构形态，但气球充气后并没有呈现出期望的轴对称形状，而是会出现不对称的扭曲，即出现不安全的破裂现象[5]，如图3所示。破裂现象一度成为NASA高空气球的主要研究内容之一。针对高空气球顺利完全展开问题，NASA研究人员对高空气球进行了多次室内模型测试、材料测试及试飞试验。ULDB的试飞试验共有7个，试飞气球的编号分别为485NT、495NT、496NT、1580PT、517NT、540NT、555NT[5]。其中高空气球540NT于2005年2月4日放飞，气球成功的发射、上升，到达漂浮高度后完全展开，但是不久却出现了气体泄漏，不得不停止试验。分析表明，此次事故原因是制造加工问题。在540NT试飞试验的基础上，改进了材料性能，改变了气球的部分结构，于2006年6月12日进行了555NT的试飞试验。试验很成功，试飞历时8h50min，气球和载荷均安全着陆。但是气球仍未能完全展开，如图4所示。

图3 S形破裂现象Fig.3 Balloon with S cleft

图4 高空气球555NT未完全展开Fig.4 Flight 555NT undeployed

2007 年和2008年NASA使用直径4m、8.5m和27m的气球进行了一系列地面模型测试。试验的主要变量是最大瓣角（即气球最大周长带处的三角布条瓣角）。试验证明，最大瓣角越大，气球越容易完全展开[4]。2008年的试飞试验586NT和591NT都实现了完全展开。

南瓜形气球的外形与传统的锥形气球相比，在相同体积的情况下，会增加蒙皮面积，导致蒙皮质量的增大。不过，随着高强度质量比材料的发现，南瓜形气球可以实现更高的体积质量比，使这样的设计可以得到更实际的应用。南瓜形气球的可持续工作时间更长，有效载荷能力更高。

3 球体材料力学特性研究进展

高空气球的球体由优质的聚乙烯树脂吹塑而成，薄膜厚仅20μm左右。高空气球在上升及飞行过程中，主要有两种装载方式：一是展开和最初加压过程中增压模式，二是昼夜循环时的恒压模式[6]。在这两种模式下高空气球受到的应力大小是不同的，在充气展开阶段所承受的应力相对较大。如，气球在发放的瞬间，巨大的浮力使气球头部猛烈上冲，在吊篮离开地面时由于吊篮的质量使头部薄膜又一次受到冲击。由于聚乙烯本身的黏弹性以及气球的几何结构，气球完全展开后所受应力会大大减小[6]。

由于薄膜的应力极限是影响高空气球飞行性能以及使用寿命的重要因素之一，所以对薄膜应力变形的研究是非常重要的。

1993 年Henderson等针对高空薄膜Stratofilm372和太空薄膜AstrofilmE2分别建立了室温和低温下的单轴蠕变屈服结构模型[7]，该模型可以直接从应力状态得到应变和变形，从热膨胀系数和“应力-时间”图上可以看出材料是各向异性的[1]。但是应力之间的相互作用是复杂的，单轴结构模型不能显示出应力之间的相互作用结果，因此，Sterling和Rand提出了超压气球的双轴应力极限研究[8]。该研究在变温、变应力条件下对气球材料特性进行试验，得出了双轴应力状态下三重蠕变的应力包络线。Gol'dman以同样的方法研究了聚合材料的变形[9]。美国德克萨斯A&M大学（TAMU）提出了一种新的方法，动态机械分析法，利用动力学方法和振动力学方法对材料的粘弹性进行了试验分析，并建立了非线性结构模型[1]。

近年来，美国宇航局沃勒普斯飞行设施部（Wallops Flight Facility，NASA WFF）的研究人员对气球材料进行了一系列试验，包括单轴拉伸加载试验、双轴拉伸加载试验、低应力应变条件下的滞后作用和机械硬化行为试验。其中单轴拉伸试验方法简单而且易于得到较为可靠的试验数据，但是拉伸时与拉伸方向平行的强度随着拉伸比的增加而增加，垂直于拉伸方向的强度则随之下降。双轴拉伸可用来防止单轴拉伸时在薄膜平面内垂直于拉伸方向上强度变差的缺点，是改进高聚物薄膜或薄片性能的一种重要方法。

以上试验的目的是研究聚乙烯薄膜的破坏极限，并最终提出了应变极限假说。该假说假设超压气球是基于屈服应变标准设计的。屈服应变标准是根据聚乙烯薄膜的连接分子在拉伸矫直等有限变形范围内的形态行为建立的。假设规定，超压气球在正常的工作压力下，如果总的应变维持在有限变形范围内，薄膜就不会出现破裂现象。WFF使用直径8m、具有48个三角形布条（gore）的超压气球和直径30m具有230个三角形布条的超压气球（图5）对极限应变假说进行验证。试验结果表明，双轴应力即使超过由Sterling和Rand规定的双轴蠕变应力极限，薄膜仍不会失效。平均而言，聚乙烯薄膜最大应变小于5%[6]。

图5 直径8m的48gore超压气球（左）和直径30m的230gore超压气球（右）Fig.5 An 8-meter 48-gore （left） and a 30-meter 230 gore （right） super pressurized balloon

4 超压气球的热性能建模研究

高空气球是一个热力飞行器，飞行环境随高度不断变化。气球飞行过程中，辐射换热与对流换热对其热特性有很大的影响。热特性变化及环境热效应对高空气球的安全可靠性与控制有很大影响。因此建立热模型，对气球进行换热分析，是非常重要的。

高空气球热模型的研究逐渐从简单到复杂。最初只是零维模型，如Kreide建立的平均温度模型[10]。该模型考虑了太阳直接辐射和地球反射辐射、地球和大气的红外辐射、对流换热和壳体本身辐射，但假设壳体温度处处相等。Franco发展了三维气球热模型[11]，此模型考虑了太阳辐射、地球反射辐射和地球红外辐射，但没有考虑对流换热。目前研究采用的热模型均进行了较大简化，尚难以较准确地反映高空气球的热特性。

高空气球的热特性研究一直是NASA气球工程的一部分，而且是发展ULDB十分必要的一个方面。超压气球的几何结构与外形均与传统的气球模型不同，完全适合ULDB的热模型仍需要进一步研究。Garde在传统球形热建模的基础上，利用AutoCAD的附加套装软件——热单元的有效元软件（Thermal Desktop），对超压气球进行热模拟，得到了超压气球的设计模型，以及不同材料、不同环境对球体温度分布的影响[12]。

环境对高空气球热特性的影响因素是复杂的，在未来的研究中，云层、飞越海洋、昼夜交替等的影响，都需要做进一步的研究。

5 ULDB试飞试验及进展

应用于长期监视侦察任务的高空科学气球应是一种比较稳定的长时期观察平台，且具有搭载一定质量有效载荷的能力。1989年开始的长时气球（Long Duration Balloon，LDB）工程使用的是零压气球，然而零压气球进行长时间飞行要借助极昼和环流，受纬度和季节限制，对于科学研究来说，其工作时间和工作范围不能满足要求，飞行时间需要更长，飞行纬度也要从高纬度转向中纬度。1996年WFF正式向NASA总部申请了超长时气球计划，提出了100天持续飞行、有效载荷为1 600kg、飞行高度33.5km的目标，外形采用南瓜形。

ULDB试飞试验是高空气球研究中的重要部分，近年来NASA进行了多次ULDB试飞试验（包括所资助的有关高校和研究机构进行的试飞试验），获得了大量的试验数据，对ULDB的研究具有重要的意义。

5.1 2005-2009年主要的试飞试验

在高空气球研究过程中，NASA及其所资助的有关高校和研究机构，根据不同的研究目标，如研究高空气球的飞行性能或进行不同的科学观测等，进行了多次的试飞试验，获得了大量的试验数据。文中主要列出了2005年到2009年间进行的部分试飞试验[5、13-14]，见表1。

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5.2 高空气球591N试飞试验

由以上试飞试验可以看出，随着ULDB技术不断地发展，试验越来越成功。其中2008年12月28日由WFF在南极麦克默多站发射的591N测试结果非常成功。591N的有效载荷680kg，飞行高度33.87km。这次飞行试验的目的是：评估材料的性能、检验结构变化的可行性及提高气球的整体性能。图6[13]所示为气球591N的飞行轨迹。

图6 591N飞行轨迹Fig.6 Flight trajectory of 591N

591 N实际的飞行性能与飞行预测非常吻合，这次飞行各项指标都达到甚至超过了预期的目标。这次飞行创造了该类型气球飞行时间的最高记录，飞行时间长达54d1h29min。整个飞行过程中，都保持在设计的高度和压力上。每日的飞行高度变化都在100至150m之间，与同一季度在南极试飞的较成功的零压气球相比，高度变化降低了约1个数量级，而且飞行过程中没有检测到明显的气体损失。如图7[4]所示，分别为高空气球591N、590N、589N飞行过程中昼夜高度变化。飞行结束后研究人员分析，整个飞行过程中气球的性能并没有下降，气球还可以继续飞下去[4]。

图7 高空气球591N、590N、589N飞行过程中昼夜高度变化Fig.7 Altitude variability of balloon 591N，590N and 589N

这次飞行试验的成功表明距离ULDB的目标更进了一步。气球材料性能试验、模型结构分析试验等仍在进行中，期待着下一次试飞试验能够取得更好的结果，早日实现最终的目标。

6 结束语

从NASA高空气球的研究及其发展来看，结构、材料、热建模和飞行试验等各项技术都在不断发展，高空气球的飞行性能越来越好，相信ULDB很快便会实现100d的飞行目标。以前高空气球多用于高空科学观测试验，随着技术的发展，美国等一些国家正在开发其军事用途，因此对ULDB飞行性能的要求会越来越高。此外，大载荷气球、质量更轻的仪表包装、减少着陆冲击负荷、自动降落伞释放等技术，也是NASA在高空气球领域的重要研究方面，这些技术对提高气球的整体性能十分重要。

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[1]Smith Jr I S.Advancement in NASA Balloon Research and Development[J].Advances in Space Research，1996，17（9）：37-44.

[2]王彦广，李健全，李勇等.近空间飞行器的特点及其应用前景[J].航天器工程，2007，16（1）：50-57.

WangYanguang，LiJianquan， LiYong.CharactersandApplicationProspectsof Near Space Flying Vehicles[J].Spacecraft Engineering，2007，16（1）：50-57.（in Chinese）

[3]陈旭.长时高空气球的研制发展[J].航天器工程，2007，16（4）：83-87.

Chen Xu.Development of Long Duration High Altitude Balloon[J].Spacecraft Engineering，2007，16（4）：83-87.（in Chinese）

[4]Cathey Jr H M，Pierce D L.Duration Flight of the NASA Super Pressure Balloon[R].AIAA 2009-2808，2009.

[5]Cathey Jr H M.Evolution of the NASA Ultra Long Duration Balloon[R].AIAA 2007-2615，2007.

[6]YoungLG，GardeGJ.ApplicationLimitsforThin-FilmPolyethyleneUsedinNASA’sSuperPressureBalloon[R].AIAA2009-2811，2009.[7]Henderson J，Rand J，Calderon G.A Nonlinear Viscoelastic Constitutive Model for Balloon Films[R].AIAA 1994-0638，1994.

[8]Sterling W J，Rand J L.Biaxial Stress Limit for ULDB Film[R].AIAA 2005-7404，2005.

[9]Gol’dman A Y.Prediction of the Deformation Properties of Polymeric and Composite Materials[M].American Chemical Society，1994.

[10]Kreider J F.Mathematical Modelling of High Altitude Balloon Performance[R].AIAA 1975-1385，1975.

[11]Franco H，Cathey H M.Thermal Performance Modeling of NASA’s Scientific Balloons[J].Advances in Space Research，2004，33（10）：1717-1721.

[12]Garde G J.Thermal Modeling of NASA’s Super Pressure Pumpkin Balloon[R].AIAA 2007-2630，2007.

[13]Klein E，Orr D.Northern Hemisphere Capabilities of the NASA Balloon Program[R].AIAA 2007-2612，2007.

[14]Fairbrother D A，Pierce D L.NASA Balloon Program Status[R]，AIAA 2009-2800，2009.