NASA高空氣球的研究及其進展

田莉莉 方賢德

（南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，南京 210016）

1 引言

高空氣球又稱高空科學(xué)氣球，是指在平流層飛行的無動力浮空器。美國是發(fā)展高空氣球最早，技術(shù)最先進的國家。1986年“挑戰(zhàn)者”號航天飛機失事之后，大量的科學(xué)觀測計劃開始借助高空氣球平臺，這在很大程度上刺激了美國氣球技術(shù)的發(fā)展。同年，美國宇航局NASA（National Aeronautics and Space Administration）提出了高空氣球的全面研究與發(fā)展計劃，并于1987年開始實施。目的在于研究氣球的結(jié)構(gòu)、材料、飛行性能，從而提高氣球的穩(wěn)定性、持續(xù)工作時間以及有效載荷能力[1]。

高空氣球的構(gòu)成主要包括球體和吊艙。高空氣球的球體是氣囊，氣囊內(nèi)充以密度小于空氣的氣體，如氫氣、氦氣，依靠浮力上升。吊艙內(nèi)除了裝有有效載荷外，還裝有電源、壓艙物等[2]。除此之外，需要回收載荷的高空氣球還配有回收傘以及球傘分離裝置。高空氣球具有留空時間長、價格低和回收方便等優(yōu)點。

最初高空氣球最長的工作時間只有幾十個小時，并且隨著晝夜溫度的變化，氣球的飛行高度有很大的變化。這些條件使得氣球無法作為長時間觀察監(jiān)視的平臺。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些關(guān)鍵技術(shù)，如蒙皮材料技術(shù)、氣球超壓技術(shù)等都取得了突破性進展，使得高空氣球逐步應(yīng)用于科學(xué)觀察。又由于高空氣球的滯空工作時間長、偵查視野廣闊、效費比高等獨特優(yōu)勢，其在軍事方面也有著廣泛的應(yīng)用前景，目前美國等一些國家正在開發(fā)其軍事用途。

本文重點從高空氣球的結(jié)構(gòu)、蒙皮材料、飛行試驗等方面介紹了NASA高空氣球的研究與發(fā)展，內(nèi)容主要包括NASA近年來對高空氣球結(jié)構(gòu)設(shè)計、蒙皮材料和熱特性的研究，以及超長時氣球（Ultra Long Duration Balloon，ULDB）試飛試驗成果。NASA高空氣球的研究及其發(fā)展代表了美國和世界高空氣球研究發(fā)展的最高水平，對其進行綜述總結(jié)，對于我國高空氣球的研究發(fā)展具有參考和借鑒價值。

2 高空氣球的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)氣球內(nèi)外壓差的不同，氣球可以分為零壓氣球和過壓氣球。零壓氣球即氣球內(nèi)外壓力始終相同，而過壓氣球能夠保證氣球與外界的壓差在零壓以上。零壓氣球是自然錐形的，過壓氣球是南瓜形的（故又稱南瓜氣球），如圖1所示。南瓜氣球是一個扁圓的橢球體，它利用高強度、韌度的徑向帶和“載荷承力筋”來傳遞由于蒙皮壓差和懸掛有效載荷產(chǎn)生在氣球子午線上的力，并通過在氣球接縫處產(chǎn)生“鼓包”大大減小蒙皮的曲率半徑，從而降低了蒙皮上的應(yīng)力載荷[3]。

圖1 零壓氣球（左）與過壓氣球（右）Fig.1 Zero pressure balloon （left） and over-pressurized balloon （right）

2007年11 月，NASA對3種不同瓣角的高空氣球（如圖2所示）進行了爆破壓力試驗。通過試驗測得，隨著瓣角角度的增大，氣球的爆破壓力也逐漸變大，即相同材料下，南瓜形氣球可以承受更大的壓力[4]。

圖2 3種不同瓣角的高空氣球Fig.2 Three kinds of high-altitude balloon in various lobe angles

超壓氣球采用南瓜形，改變了氣球的結(jié)構(gòu)形態(tài)，但氣球充氣后并沒有呈現(xiàn)出期望的軸對稱形狀，而是會出現(xiàn)不對稱的扭曲，即出現(xiàn)不安全的破裂現(xiàn)象[5]，如圖3所示。破裂現(xiàn)象一度成為NASA高空氣球的主要研究內(nèi)容之一。針對高空氣球順利完全展開問題，NASA研究人員對高空氣球進行了多次室內(nèi)模型測試、材料測試及試飛試驗。ULDB的試飛試驗共有7個，試飛氣球的編號分別為485NT、495NT、496NT、1580PT、517NT、540NT、555NT[5]。其中高空氣球540NT于2005年2月4日放飛，氣球成功的發(fā)射、上升，到達(dá)漂浮高度后完全展開，但是不久卻出現(xiàn)了氣體泄漏，不得不停止試驗。分析表明，此次事故原因是制造加工問題。在540NT試飛試驗的基礎(chǔ)上，改進了材料性能，改變了氣球的部分結(jié)構(gòu)，于2006年6月12日進行了555NT的試飛試驗。試驗很成功，試飛歷時8h50min，氣球和載荷均安全著陸。但是氣球仍未能完全展開，如圖4所示。

圖3 S形破裂現(xiàn)象Fig.3 Balloon with S cleft

圖4 高空氣球555NT未完全展開Fig.4 Flight 555NT undeployed

2007 年和2008年NASA使用直徑4m、8.5m和27m的氣球進行了一系列地面模型測試。試驗的主要變量是最大瓣角（即氣球最大周長帶處的三角布條瓣角）。試驗證明，最大瓣角越大，氣球越容易完全展開[4]。2008年的試飛試驗586NT和591NT都實現(xiàn)了完全展開。

南瓜形氣球的外形與傳統(tǒng)的錐形氣球相比，在相同體積的情況下，會增加蒙皮面積，導(dǎo)致蒙皮質(zhì)量的增大。不過，隨著高強度質(zhì)量比材料的發(fā)現(xiàn)，南瓜形氣球可以實現(xiàn)更高的體積質(zhì)量比，使這樣的設(shè)計可以得到更實際的應(yīng)用。南瓜形氣球的可持續(xù)工作時間更長，有效載荷能力更高。

3 球體材料力學(xué)特性研究進展

高空氣球的球體由優(yōu)質(zhì)的聚乙烯樹脂吹塑而成，薄膜厚僅20μm左右。高空氣球在上升及飛行過程中，主要有兩種裝載方式：一是展開和最初加壓過程中增壓模式，二是晝夜循環(huán)時的恒壓模式[6]。在這兩種模式下高空氣球受到的應(yīng)力大小是不同的，在充氣展開階段所承受的應(yīng)力相對較大。如，氣球在發(fā)放的瞬間，巨大的浮力使氣球頭部猛烈上沖，在吊籃離開地面時由于吊籃的質(zhì)量使頭部薄膜又一次受到?jīng)_擊。由于聚乙烯本身的黏彈性以及氣球的幾何結(jié)構(gòu)，氣球完全展開后所受應(yīng)力會大大減小[6]。

由于薄膜的應(yīng)力極限是影響高空氣球飛行性能以及使用壽命的重要因素之一，所以對薄膜應(yīng)力變形的研究是非常重要的。

1993 年Henderson等針對高空薄膜Stratofilm372和太空薄膜AstrofilmE2分別建立了室溫和低溫下的單軸蠕變屈服結(jié)構(gòu)模型[7]，該模型可以直接從應(yīng)力狀態(tài)得到應(yīng)變和變形，從熱膨脹系數(shù)和“應(yīng)力-時間”圖上可以看出材料是各向異性的[1]。但是應(yīng)力之間的相互作用是復(fù)雜的，單軸結(jié)構(gòu)模型不能顯示出應(yīng)力之間的相互作用結(jié)果，因此，Sterling和Rand提出了超壓氣球的雙軸應(yīng)力極限研究[8]。該研究在變溫、變應(yīng)力條件下對氣球材料特性進行試驗，得出了雙軸應(yīng)力狀態(tài)下三重蠕變的應(yīng)力包絡(luò)線。Gol'dman以同樣的方法研究了聚合材料的變形[9]。美國德克薩斯A&M大學(xué)（TAMU）提出了一種新的方法，動態(tài)機械分析法，利用動力學(xué)方法和振動力學(xué)方法對材料的粘彈性進行了試驗分析，并建立了非線性結(jié)構(gòu)模型[1]。

近年來，美國宇航局沃勒普斯飛行設(shè)施部（Wallops Flight Facility，NASA WFF）的研究人員對氣球材料進行了一系列試驗，包括單軸拉伸加載試驗、雙軸拉伸加載試驗、低應(yīng)力應(yīng)變條件下的滯后作用和機械硬化行為試驗。其中單軸拉伸試驗方法簡單而且易于得到較為可靠的試驗數(shù)據(jù)，但是拉伸時與拉伸方向平行的強度隨著拉伸比的增加而增加，垂直于拉伸方向的強度則隨之下降。雙軸拉伸可用來防止單軸拉伸時在薄膜平面內(nèi)垂直于拉伸方向上強度變差的缺點，是改進高聚物薄膜或薄片性能的一種重要方法。

以上試驗的目的是研究聚乙烯薄膜的破壞極限，并最終提出了應(yīng)變極限假說。該假說假設(shè)超壓氣球是基于屈服應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的。屈服應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)聚乙烯薄膜的連接分子在拉伸矯直等有限變形范圍內(nèi)的形態(tài)行為建立的。假設(shè)規(guī)定，超壓氣球在正常的工作壓力下，如果總的應(yīng)變維持在有限變形范圍內(nèi)，薄膜就不會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。WFF使用直徑8m、具有48個三角形布條（gore）的超壓氣球和直徑30m具有230個三角形布條的超壓氣球（圖5）對極限應(yīng)變假說進行驗證。試驗結(jié)果表明，雙軸應(yīng)力即使超過由Sterling和Rand規(guī)定的雙軸蠕變應(yīng)力極限，薄膜仍不會失效。平均而言，聚乙烯薄膜最大應(yīng)變小于5%[6]。

圖5 直徑8m的48gore超壓氣球（左）和直徑30m的230gore超壓氣球（右）Fig.5 An 8-meter 48-gore （left） and a 30-meter 230 gore （right） super pressurized balloon

4 超壓氣球的熱性能建模研究

高空氣球是一個熱力飛行器，飛行環(huán)境隨高度不斷變化。氣球飛行過程中，輻射換熱與對流換熱對其熱特性有很大的影響。熱特性變化及環(huán)境熱效應(yīng)對高空氣球的安全可靠性與控制有很大影響。因此建立熱模型，對氣球進行換熱分析，是非常重要的。

高空氣球熱模型的研究逐漸從簡單到復(fù)雜。最初只是零維模型，如Kreide建立的平均溫度模型[10]。該模型考慮了太陽直接輻射和地球反射輻射、地球和大氣的紅外輻射、對流換熱和殼體本身輻射，但假設(shè)殼體溫度處處相等。Franco發(fā)展了三維氣球熱模型[11]，此模型考慮了太陽輻射、地球反射輻射和地球紅外輻射，但沒有考慮對流換熱。目前研究采用的熱模型均進行了較大簡化，尚難以較準(zhǔn)確地反映高空氣球的熱特性。

高空氣球的熱特性研究一直是NASA氣球工程的一部分，而且是發(fā)展ULDB十分必要的一個方面。超壓氣球的幾何結(jié)構(gòu)與外形均與傳統(tǒng)的氣球模型不同，完全適合ULDB的熱模型仍需要進一步研究。Garde在傳統(tǒng)球形熱建模的基礎(chǔ)上，利用AutoCAD的附加套裝軟件——熱單元的有效元軟件（Thermal Desktop），對超壓氣球進行熱模擬，得到了超壓氣球的設(shè)計模型，以及不同材料、不同環(huán)境對球體溫度分布的影響[12]。

環(huán)境對高空氣球熱特性的影響因素是復(fù)雜的，在未來的研究中，云層、飛越海洋、晝夜交替等的影響，都需要做進一步的研究。

5 ULDB試飛試驗及進展

應(yīng)用于長期監(jiān)視偵察任務(wù)的高空科學(xué)氣球應(yīng)是一種比較穩(wěn)定的長時期觀察平臺，且具有搭載一定質(zhì)量有效載荷的能力。1989年開始的長時氣球（Long Duration Balloon，LDB）工程使用的是零壓氣球，然而零壓氣球進行長時間飛行要借助極晝和環(huán)流，受緯度和季節(jié)限制，對于科學(xué)研究來說，其工作時間和工作范圍不能滿足要求，飛行時間需要更長，飛行緯度也要從高緯度轉(zhuǎn)向中緯度。1996年WFF正式向NASA總部申請了超長時氣球計劃，提出了100天持續(xù)飛行、有效載荷為1 600kg、飛行高度33.5km的目標(biāo)，外形采用南瓜形。

ULDB試飛試驗是高空氣球研究中的重要部分，近年來NASA進行了多次ULDB試飛試驗（包括所資助的有關(guān)高校和研究機構(gòu)進行的試飛試驗），獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)，對ULDB的研究具有重要的意義。

5.1 2005-2009年主要的試飛試驗

在高空氣球研究過程中，NASA及其所資助的有關(guān)高校和研究機構(gòu)，根據(jù)不同的研究目標(biāo)，如研究高空氣球的飛行性能或進行不同的科學(xué)觀測等，進行了多次的試飛試驗，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)。文中主要列出了2005年到2009年間進行的部分試飛試驗[5、13-14]，見表1。

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5.2 高空氣球591N試飛試驗

由以上試飛試驗可以看出，隨著ULDB技術(shù)不斷地發(fā)展，試驗越來越成功。其中2008年12月28日由WFF在南極麥克默多站發(fā)射的591N測試結(jié)果非常成功。591N的有效載荷680kg，飛行高度33.87km。這次飛行試驗的目的是：評估材料的性能、檢驗結(jié)構(gòu)變化的可行性及提高氣球的整體性能。圖6[13]所示為氣球591N的飛行軌跡。

圖6 591N飛行軌跡Fig.6 Flight trajectory of 591N

591 N實際的飛行性能與飛行預(yù)測非常吻合，這次飛行各項指標(biāo)都達(dá)到甚至超過了預(yù)期的目標(biāo)。這次飛行創(chuàng)造了該類型氣球飛行時間的最高記錄，飛行時間長達(dá)54d1h29min。整個飛行過程中，都保持在設(shè)計的高度和壓力上。每日的飛行高度變化都在100至150m之間，與同一季度在南極試飛的較成功的零壓氣球相比，高度變化降低了約1個數(shù)量級，而且飛行過程中沒有檢測到明顯的氣體損失。如圖7[4]所示，分別為高空氣球591N、590N、589N飛行過程中晝夜高度變化。飛行結(jié)束后研究人員分析，整個飛行過程中氣球的性能并沒有下降，氣球還可以繼續(xù)飛下去[4]。

圖7 高空氣球591N、590N、589N飛行過程中晝夜高度變化Fig.7 Altitude variability of balloon 591N，590N and 589N

這次飛行試驗的成功表明距離ULDB的目標(biāo)更進了一步。氣球材料性能試驗、模型結(jié)構(gòu)分析試驗等仍在進行中，期待著下一次試飛試驗?zāi)軌蛉〉酶玫慕Y(jié)果，早日實現(xiàn)最終的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

從NASA高空氣球的研究及其發(fā)展來看，結(jié)構(gòu)、材料、熱建模和飛行試驗等各項技術(shù)都在不斷發(fā)展，高空氣球的飛行性能越來越好，相信ULDB很快便會實現(xiàn)100d的飛行目標(biāo)。以前高空氣球多用于高空科學(xué)觀測試驗，隨著技術(shù)的發(fā)展，美國等一些國家正在開發(fā)其軍事用途，因此對ULDB飛行性能的要求會越來越高。此外，大載荷氣球、質(zhì)量更輕的儀表包裝、減少著陸沖擊負(fù)荷、自動降落傘釋放等技術(shù)，也是NASA在高空氣球領(lǐng)域的重要研究方面，這些技術(shù)對提高氣球的整體性能十分重要。

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