高空气球的发展现状

曹洁 高国柱

【摘 要】介绍了高空气球的特点及研究意义，综述了国外近些年高空气球的发展，主要介绍了美国NASA的长航时超压气球计划、平流层气球PoGO+项目和法国CNES高空气球ZPB等。

【关键词】高空气球;特点;发展现状

中图分类号： V273 文献标识码： A 文章编号： 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

高空气球是一种无动力推进装置、无系留缆绳约束、在风力和浮力（向气囊内充入轻质气体产生，通常为氦气）作用下自由漂浮的浮空器。根据气球内部压力与外界压力差的区别，高空气球可以分为零压气球和超压气球。

零压气球是最常见的自由气球，从20世纪初一直广泛使用至今，采用“自然形”的外形设计，蒙皮选用耐低温聚乙烯薄膜。超压气球是一种新型的高空气球，与零压气球的开放式结构不同，采用耐高压的薄膜材料以及新型结构设计，球体封闭。

由于高空气球具备许多其他飞行器所不具备的特点，例如飞行高度高，驻留时间长，成本低，准备周期短，隐身性和规避性好，易于灵活实施，垂直起降不需机场跑道，飞行安全性好，噪声低，耗油量少以及信号传递及时等。因此，近些年高空气球的发展越来越受到重视。高空气球飞行系统主要由气球球体、缆绳和吊舱组等组成。吊舱内装有有效载荷（遥测遥控设备等）、电源、以及压舱物等。高空气球凭借其突出的特点，具有广阔的应用前景和巨大的民用、军事价值。

国外有许多研究机构针对高空气球开展试验研究，目前最具代表性的项目有美国NASA开展的长航时超压气球计划、瑞典航天公司开展的平流层气球PoGO+项目以及法国CNES的高空气球ZPB等。本文将着重介绍这些项目近几年的研究进展。

1 美國NASA的长航时超压气球计划

1989年至今，NASA、美国空间和天文研究院（ISAS）及Rave公司等在长时滞空高空气球的技术方面做了很多研究，从最初的长时气球（LDB，Long Duration Balloon）工程发展到长时气球飞行器（LDBV，Long Duration Balloon Vehicle）研究计划，再到现在的超长时气球（ULDB，Ultra Long Duration Balloon）工程。计划中采用的气球形式从零压气球、过压气球发展为现在的超压气球。至今，NASA已经进行几百次试验，主要飞行试验气球的编号有540NT、555NT、586NT、591NT、616NT和631NT。近几年试飞试验气球的编号有559NT、662NT和669NT。

表1给出了ULDB近几年飞行试验情况（编号为591NT、608NT、616NT、631NT、659NT、662NT和669

2 平流层气球PoGO+项目

PoGO+项目[1]是一个于2015年10月份开始启动的平流层气球项目。该项目由瑞典航天公司（SSC，Swedish Space Corporation）管理，并且负责气球的吊舱结构、系统管理、通信系统、能源系统和气球飞行系统等部分。此外，瑞典航天公司还负责气球放飞、飞行以及回收工作;瑞典皇家理工学院（KTH）负责仪器、X射线偏振仪以及整个子系统的控制、监测系统和相应的设备;美国新墨西哥州立大学（New Mexico State University）负责飞行系统中的一部分。

PoGO+项目的任务使命是发现和描绘来自蟹状星云和天鹅座X-1的伽马射线。通过携带所设计的载荷设备，经过将近一周的飞行成功地完成了上述提到的任务。PoGO+项目采用Aerostar SF-39.57气球，载荷重量为1728kg。

为了完成如此长时间飞行试验，在夏天放飞气球是很有必要的，此时整个北极的风场是西风方向（从东向西）。PoGO+气球在2016年7月12日03：17放飞，历时五个多小时的爬升，达到40km的巡航高度。初始升空速度大约为4m/s，由于平流层温度较低导致升空速度缓慢，在达到指定高度之前气球升空速度降到2.6m/s。放飞的气球从瑞典的Esrange航天中心横渡大西洋，历经7天飞行，在2016年7月18日的22：26着陆于加拿大的维多利亚岛（温哥华岛南端一个港口）。整个巡航阶段，气球的飞行高度处于36743m至40573m之间。

3 法國CNES高空气球ZPB

作为欧洲研究高空气球技术最先进的机构，法国CNES拥有50年以上的相关经验和超过3000次气球飞行经历。CNES已经研发了两个系列的气球，一种是平流层气球（飞行高度可超过40千米），另外一种是对流层气球。对于平流层气球，CNES研制了零压球ZPB和超压球SPB两种类型的气球。

从2007年，CNES开始设计控制浮空器的新型操纵系统（NOSYCA， New Operational System for the Control of Aerostat），其飞行部分如图1所示。NOSYCA气球飞行系统的飞行部门主要由放气阀、气球囊体、囊体吊舱、主分离系统、降落伞、工作吊舱、S波段吊舱、闪光灯、辅助气球、载荷吊舱等组成[2]。

2015年，CNES在加拿大的蒂明斯市开展了代号为“Strato-Science”的平流层科学活动[3]。此次科学活动时间为2015年8月12日至9月30日，期间安排了6次飞行试验，其中4次试验携带法国和欧洲科学协会的任务载荷，另外2次携带加拿大的任务载荷。通过这些飞行试验，所有的计划和任务均圆满完成。

2016年8月和9月，CNES执行了两次飞行试验。2017年3月11日至4月20日，CNES安排了3次飞行试验并取得圆满成功。CNES飞行试验情况如表2所示。

4 结语

从目前的发展现状来看，随着能源、材料、结构及轻质气体技术的发展，高空气球的飞行时间、飞行高度均可极大提高。在可见的未来，高空气球可以实现搭载侦察监视预警、通信导航和智能通信网络等驻留高空达数年。

【参考文献】

[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.