1 气球及早期科学观测
气球是利用浮力原理升空的飞行器，中国古代的孔明灯是热气球的早期雏形，用松脂等燃料维持灯笼内空气的较高温度和较低密度，在重力场下的大气中就产生了浮力，被用于节庆活动和传递军事信号。1783年9月，作为造纸工匠的法国蒙特哥菲尔兄弟在凡尔赛宫广场向王室和公众演示了热气球飞行，两个月后又完成了人类首次载人飞行，由此法国被认为是气球的故乡。之后用浮力大的氢气作为浮升气体、涂覆橡胶织物做气囊的气球、飞艇等发展起来，一度在军事、运输、科研中广泛应用，后因著名的齐柏林越洋客运飞艇因静电引起氢气燃爆失事而衰落；而热气球延续至今，成为有众多拥趸的运动和娱乐项目。
图1 1983年法国纪念气球首飞200年的明星片
气球早期与科学结缘的著名事例是奥地利物理学家赫斯用气球发现宇宙线的实验。20世纪初空气电离是研究热点之一，开始人们认为是由地面放射性元素导致的。赫斯是物理学家，也是气球飞行爱好者，1911~1912年他携带沃尔夫型金箔验电器乘坐氢气球进行了7次飞行实验，即使以目前的眼光来看，这也是科学探险的壮举。他发现海拔越高空气电离越严重，5390米高空的大气电离率是地面的5倍，表明导致空气电离的源头“可能是来自太空的穿透辐射”，即宇宙辐射。1914年德国物理学家柯尔霍斯特将气球升至9300米，测得空气电离是地面的9倍，确认了赫斯的结果。
图2赫斯1912年乘坐气球开展实验的场景
宇宙线的发现促进了粒子物理学的发展。1932~1953年期间，在宇宙线及与大气作用产物中陆续发现了正电子、μ子、π介子、Λ超子、
介子等，成为粒子物理研究的先驱。赫斯和发现正电子的安德森分享了1936年诺贝尔物理学奖。1947年，高度达30千米的气球实验揭示宇宙线除主要成分质子外，还包括氦核和多种重原子核，打开了粒子天体物理的大门。
图3 大气电离率随高度变化(左：赫斯，1912；右：柯尔霍斯特，1913)
2 现代科学气球及科学观测
二战之后，由于高分子材料等技术进步，气球开始采用轻薄、耐低温和廉价的聚乙烯薄膜制造，球膜重量从每平米300克降低到约20克，这是一个巨大进步。简单分析可知，气球在升限高度的浮力和重力平衡，有：W=V∙(ρa-ρg)∙g，其中W为总重，V是气球体积，ρa和ρg分别是升限高度大气和浮升气体密度。气体密度与压力关系为ρ=μP/ RT。T为气温，R是通用气体常数，μ是气体克分子量。合并两式得到以气压表示的气球升限公式(注意气压小则高度高)：
该式表明了升限高度与气球体积和系统总重的确定关系(公式右的前项在平流层基本是定值)，气球体积越大高度越高，大幅减轻气球自重，可携带相当重的载荷达到很高的高度。
气球的高度和载重对科学研究非常重要。现代气球大多采用零压式“自然形”设计，有纵向加强筋，充氢或氦(现多用氦气)，体积几万到上百万立方米，载荷数百公斤至数吨，高度30~45千米或更高，上方剩余大气仅为地面的1%到0.1%，飘飞在大气层顶，成本相对低廉，实验灵活，准备周期短，广泛用于红外和X-γ射线天文，宇宙线和微波背景观测，大气和地球环境等科学研究以及空间仪器和空间技术试验。零压气球在日落时因太阳辐射消失导致浮升气体降温，体积收缩而下降，需要通过抛压舱物减重恢复飞行高度(每次过夜5%~7%系统重量)，这就限制了其飞行持续时间，约2~3天。
随着技术进步，科学气球发展为成熟的高空和空间研究工具。美国国家航空航天局(NASA)，法国国家太空研究中心(CNES)，俄罗斯科学院，日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)，瑞典空间研究中心(SSC)，印度空间研究组织(ISRO)，巴西空间研究组织(INPE)，加拿大航天局(CSA)等国家空间机构都有科学气球设施，气球科学活动持续不断，取得显著成就。
美国国家基金委(NSF)于1961年资助在科罗拉多州建立气球设施，1973年正式成为国家科学气球设施(National Scientific Balloon Facility, NSBF)，1982年移交NASA，2003年为纪念哥伦比亚号航天飞机失事改称CSBF。NASA总部主持科学气球任务计划和技术发展规划，GADEN和Wallops中心负责技术研究。
NASA提出了将气球利用程度和效益最大化的方针，建有德州巴勒斯登、新墨西哥州萨姆纳堡气球站和阿拉斯加Fairbanks基地，1990年在南极McMurdo(70.5°S，157.5°W)建站开展绕南极的长时间飞行，还与巴西、澳大利亚、新西兰等合作开展南半球越洋飞行。美国气球活动规模大，气球体积多为30万~110万立方米，最大170万立方米，载荷最重3.6吨，共发放2000多次，与NASA的空间计划密切配合，取得显著效益。
图4 典型的科学气球配置，112 万立方米气球起飞时高度200米，高空展开直径140米
图5 典型的动态式气球发放：气球头部由滚筒约束充氦气，吊舱锁定在移动平台上待球体升起并超前后解锁。右上为高空胀满的气球及下部的排气管
图6美国在巴勒斯登站发放气球的航拍照
1998年NASA启动了超长时间气球计划(ULDB)，致力于发展大型超压气球，目标是体积73.6万立方米，高度35千米，2吨载重，定高飞行100天，能力堪比卫星。超压气球在日落时内部压力降低而体积不变，可长时间定高飞行，但技术难度很大。
ULDB虽比原计划滞后，但技术进展显著。2009年在南极创造了20万立方米超压气球定高飞行54天的记录，2013年53.22万立方米超压气球载2吨多载荷飞行了32天，2016年在新西兰又发放成功53.22万立方米超压气球(编号662NT)，携1.25吨的康普顿分光与成像仪(COSI)，在33.5千米高度飞行46天，吊舱在秘鲁降落回收。
图7美国ULDB超压气球的
缩比实验，球形采用南瓜形，一种外形稳定的欧拉体
图8携带COSI的662NT超压气球起飞情景，右上为升限飞行中的超压气球
同时期，利用南极夏季不落日和极涡环形气流条件，美国大型重载零压气球南极长时间飞行取得很大成功，1995~2012年进行了44次飞行，其中22次绕极单圈(8~20天)，6次双圈(20~32天)，4次三圈(35~42天)，最长55天，至今共飞行56次。有力支持了高价值的南极气球科学活动。
图9 2013年Super-TIGER项目绕南极3圈55天的航迹，是NASA重载零压气球的续航记录
法国作为近代气球的发源地十分重视科学气球，法国CNES设气球部，是欧洲气球活动的中心。作者在访问CNES时，CNES负责人表示“我们用空间预算中的1%投入科学气球，获得10%的收益”。法国国内气球站有Arie sur l’Adour和Gap in theAlps，曾进行从意大利西西里岛到西班牙降落的跨地中海飞行，2013年起在加拿大开展2~3天长时间飞行。法国共发放气球1000余次，最大气球120万立方米，采用软式发放方式。
图10法国特有的“软式”起飞法，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
法国的红外热气球和中小型超压气球别具特色。红外热气球体积约4.5万立方米，50 千克载荷，靠氦气升空，逐步换成空气，夜间靠地面长波辐射加热，昼夜呈30~18千米高度起伏，特别适合大气剖面研究，2001年创造了沿赤道环球飞行71天的纪录。
日本JAXA的宇宙科学研究所(ISAS)设气球部，开展了长达50年的科学气球活动，早期气球站在三陆，后移至在北海道Taiki，共发放气球600多个，最大体积60万立方米，发展了超压气球和轻量化高高度气球(球膜不足3微米厚，高度达59千米)，1993年在南极洲昭和(Syowa)基地建立了气球站，开展长时间飞行。科学气球在日本空间科学和技术试验中具有重要作用。
瑞典是北极区域气球活动的中心，1974年瑞典空间中心在基律纳市建立Esrange基地(68°N, 20°E)开展气球飞行，实现了环绕北极的飞行，最大气球体积110万立方米，共飞行600余次。瑞典与俄罗斯签订协议，气球吊舱可在俄境内降落，飞行时间3天到一周。许多国家前往瑞典开展极区空间物理、大气科学等研究。
图11 KTH的脉冲星X-射线偏振望远镜PoGO，在基律纳用110万立方米气球升空
印度1969年在Hyderabad建立了气球基地和国家气球研究机构(NBF)，位于地球磁场赤道附近(8°N)，有其特殊的地理优势，放飞了500多次高空气球，多为10万~20万立方米，1997后成功发放了40万和74万立方米气球。
科学气球系统包括气球球体、发放系统和基地设施，还包括视距或卫星中继测控数传系统，气球吊舱能源、定位、姿控、浮力控制、电子学和数据管理系统，飞行安全管理系统，吊舱回收降落伞等系统，以及搜寻回收和运输等设施。各国均配置了标准化、功能可组合的先进设备。
3 气球科学观测的重要事例
利用科学气球开展了大量天体物理、宇宙科学、大气和地球科学研究，领域广泛，成果丰硕。以下介绍一些代表性项目。
BOOMERANG(回旋器)，为美国宇宙微波背景探测气球实验。宇宙微波背景的发现(1964)和COBE卫星结果(1989)有力支撑了宇宙大爆炸和暴涨理论，分获诺贝尔物理奖。但宇宙背景的微小不均匀性蕴藏着宇宙大爆炸后约37.6万光年高速膨胀期量子起伏(声波震荡)、背景光子与天体作用和宇宙结构的大量信息，需要比COBE卫星角分辨率高得多的设备进行测量。1998年美国实施BOOMERANG任务，在南极用80万立方米气球进行了11天飞行，得到分辨率小于1度的局部宇宙微波背景图，清晰地描绘出微波背景的不均匀性，并测出宇宙相对密度Ω0在误差范围内为1。
图12显示探测结果很好地符合几何平坦宇宙理论模型的结果预期，即宇宙内含的总物质量产生的重力使其不至塌缩也不至于撕裂，气球观测结果为2003年发射的威尔金森卫星WMAP提供了坚实基础，其重要科学结论也得到证实。
图12回旋器观测到的宇宙背景不均匀性图形(上)，与宇宙弯曲和平直模型预测图形(下)的比较
气球超导磁谱仪BESS，是美日合作项目，测量宇宙线中的低能反质子，寻找反氦核，研究早期宇宙的基本粒子过程、原始黑洞及暗物质证据等，起步于1990年，早于丁肇中先生的AMS计划。探测器包括薄壁超导磁线圈，内漂移室、轨迹漂移室、飞行时间闪烁描迹仪等，1997年后采用气凝胶切伦科夫计数器取代漂移室。
反物质缺失是粒子物理学的重大课题，1955年在伯克利BeVatron加速器上首次发现了反质子(获1959年诺贝尔物理学奖)，1979年美国科学家用气球磁谱仪在130~320兆电子伏能区测到28个宇宙线中的反质子，其反/正质子流强比远超宇宙线与星际气体作用模型，由此反质子的宇宙起源成为重要课题。1989年中苏长时间气球合作时，作者听列宁格勒物理技术学院的科学家说，他们早于美国人用气球磁谱仪发现了宇宙反质子，很可能当时冷战“铁幕”遮蔽了苏联科学家的成就。
图13作者1993年在日本KEK，BESS探测器前
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，共探测到2400多个反质子，后升级为BESS-Polar，2004年在南极飞行8.5天，2008年飞行24.5天，获8000多个反质子事例，得到反氦/氦比阈值低于3×108，为当时最重要的结果。
美国南极气球天文计划，与ULDB计划同步，NASA征集了大量气球天文任务建议，进行优选后形成南极气球天文计划，包括约20个具有原创科学思想和新一代尖端仪器研发的项目。由于超压气球尚在试验中，该计划主要用大型零压气球实施，许多项目飞行了多次，任务持续至今，是科学气球史上最宏大的计划。
图14南极气球计划气球发放场景
南极气球天文计划包括粒子和非粒子天体物理两部分，粒子天体物理分为宇宙线起源加速、中微子天文、暗物质/反物质三个方向，重要项目有：先进薄型离子量能器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，银河全离子成分记录仪Super-TIGER，南极暂现脉冲天线ANITA，总反物质谱仪GAPS(寻找反氘核和中微子湮灭通道)等。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以及改进粒子鉴别方法，经2002~2007年四次飞行累计56天，发现电子能谱在300~800吉电子伏能区有一个显著的“超”，引发了观测原初宇宙线电子的一批空间任务，推动了我国暗物质探测卫星DAMPE的立项和重大成果产出。ANITA采用非常奇特的方法，用40个超宽带四角高灵敏天线探测中微子次级效应的电磁脉冲，居然在2009年30天飞行中测到2个可能宇宙中微子事例。
非粒子天体物理安排了大爆炸宇宙学、X和伽马射线源、系外行星/宇宙生物学等方向，主要项目有：宇宙学/天体物理扩散辐射绝对辐射计ARCADE，E/B模实验EBEX，宇宙微波前景源探测NCT，平流层太赫兹天文台STO，球载大孔径亚毫米波望远镜BLAST，高空透镜观测台HALO(暗能量)，多普勒敏感核伽马探测DoGONE，球载系外行星光谱望远镜BEST(口径0.75米，offner光谱仪)，行星离子碳谱仪ICarbS，系外星尘盘探测Zidiac等，都是非常新颖的项目。其中ARCADE采用全新厘米波(3-100毫米)精密差分辐射计测量宇宙背景，超流氦制冷；EBEX用2米望远镜，1500个超导量子干涉换能边缘敏感器，测量宇宙大爆炸后10-35秒暴涨期在背景上留下原初引力波印迹。
图15平流层太赫兹天文台STO/STO-2,后续为GUSTO，探测星际介质和水汽、恒星和星系形成
美国南极气球计划取得许多成果，如ARCADE发现CMBR的强烈射电辐射源，LSU非直接探测到暗物质迹象，BLAST发现星系形成的重要现象等，CREAM、GAPS的后续探测器已被送上国际空间站。作者认为其最重要的意义是引领了研究方向，加强了研究深度，激发了科学家的潜能并培养了大批人才。
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灵活多样的重要作用，仅举几例。HIBISCUS-木槿计划，欧盟委员会“全球变化/气候和生物多样性”大型国际合作(2002~2004)，与ESA的ENVISAT卫星，NASA的SAGE III卫星等配合，开展了23次零压和超压气球飞行，球载仪器包括紫外/可见/红外分光计、激光雷达、臭氧仪、表面声波传感器、光学微粒分光计等，对多种大气微量成分和云、气溶胶等进行原位测量，并开展卫星数据的真实性检验；GAINS-美国大气海洋局NCAR的全球大气海洋原位测量计划(2006~2008)，采用数百个长时间飞行“Windstar”可控超压气球在全球范围组成观测网络，飞行高度18~28千米，观测海洋和大气相互作用、火山喷发、海藻潮，与卫星观测互补；极区大气研究-CNES与NCAR合作项目，发放了19个超压气球，用下投探空仪、紫外臭氧仪、粒子计数器、GPS掩星等方法研究区域大气动力学、极区中尺度重力波，臭氧耗尽动力学的微物理/化学过程，进行卫星红外辐射冰面数据修正，改进数值天气预报。上述计划都取得了重要的综合效益。
重要的空间技术试验，举几个典型事例。有翼飞行器重返大气层试验：日本在20世纪90年代初发展小型航天飞机，要解决航天飞机高速进入稀薄大气层的气动特性、气动加热防护、稳定性控制等关键问题。日本ISAS用气球在平流层释放航天飞机缩比样机，在重力和动力联合加速下达到所需试验条件，获得了大量姿态、结构响应和振动等动力学参数，气动加热和机体温度场分布等重要参数；火星低密度超音速制动器(LDSD)试验：NASA为发展新型火星着陆技术，用直径33米的巨型旋转超音速“飞碟”减缓飞船进入稀薄火星大气层的速度。为测试该技术的有效性、提高成熟度，在夏威夷建造专门试验场，用气球将试验系统升入太平洋上空约36千米高空，2012年进行了缩比试验，2014年和2016年进行了两次全尺寸试验，发现了相关的技术问题，试验在继续进行。
图16在夏威夷建设的气球设施。LDSD载荷重3.6吨(含火箭发动机)，需在高空加速到4马赫
美国、俄罗斯、日本、法国等国还开展了火星、金星、木星、土卫六泰坦等太阳系天体气球探测和火星大气飞机等技术研究，在地球大气中开展了一系列模拟试验。20世纪90年代初中苏气球合作期间，苏联列别捷夫物理所的科学家提出，苏-法合作“火星96”计划拟用夜间着陆、白天升空的气球大范围探测火星风场和地表物质成分，需要在地球高空模拟火星气球从容器中展开的实验，希望中方提供60万立方米气球。作者为此访问了苏联负责月球和行星探测的巴巴金空间中心，最终实施了中方提供气球，苏方用我们需要的氢气设备交换的合作。
科学气球涉及领域广泛，方法灵活多样，与各国的空间研究和各种科学计划密切配合，发挥了探索引领，激励创新，凝练科学目标，发展实验方法、验证关键技术，培养锻炼队伍等重要作用。
本文选自《现代物理知识》2020年第2期
原标题：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
《现代物理知识》
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