JAXA高空科学气球的成长亮点

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JAXA高空科学气球的近期亮点

H. Fuke

日本宇宙航空研究开拓机构（JAXA/ISAS

日本宇宙航空研究开拓机构（JAXA/ISAS）

日本神奈川县相模原市 252-5210

fuke.hideyuki@jaxa.jp

择要：自 2008 年以来，日本宇宙航空研究开拓机构（JAXA）每年都在大木宇宙研究场 （TARF）开展海内气球活动。
大气科学、空间工程、宇宙射线物理学和天文学等学术领域的许多项目都取得了丰硕成果。
2013 年，一个由 2.8μm 超薄聚乙烯薄膜制成的 80,000 立方米气球达到 53.7 公里的高度，追平了无人驾驶气球高度的天下记录。
2015 年，日本宇宙航空研究开拓机构在澳大利亚爱丽斯泉开展了一次高空气球翱翔试验，作为未来可持续外洋活动的先驱，以补充 TARF 的海内活动。
本文将谈论日本科学气球活动的近期亮点和未来前景。

1. 弁言

过去 50 年来，日本宇宙航空研究开拓机构（JAXA）一贯在日本开展科学气球活动。
这项奇迹始于 1966 年，从 1971 年到 2007 年，从原三陆基地发放了约 400 个科学气球（Yoshida 等人，2008 年）。
自 2008 年起，每年都从北海道的大木航空研究场（Taiki Aerospace Research Field，TARF）发放海内气球（Fuke 等人，2010a,b）。

大木航空研究场位于太平洋海滨的广阔平原上。
在这里，利用专用的 \"大众滑动发放器 \公众和巨大的机库，开拓了一种半动态发放方法（Fuke 等人，2009 年）。
为了安全起见，气球在机库内充气，以只管即便减少被阵风破坏的风险。
一旦发放得到批准，滑动发放器就会将气球移出机库并发放出去。

为了延长翱翔韶光，同时确保在日本有限的国土范围内安全回收（特殊是考虑到日本相对较高的人口密度），采取了所谓的 \"大众boomerang回旋镖 \"大众翱翔模式（Nishimura & Hirosawa，1981 年）。
如图 1 所示，气球发放后，首先通过移除自由升力停滞上升，然后气球被强大的对流层顶喷流带向海的东方。
然后，通过丢弃压载物规复气球的上升，气球随即被带到浮空高度向西返回。
翱翔在海岸附近结束，分离的气球及其有效载荷由船只或船舶在海上回收。
TARF 的翱翔窗口期为 5 月至 6 月和 8 月至 9 月，此时平流层上部常日既有强劲的西风喷流，又有温和的东风，有利于回旋镖翱翔。
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图 1. 回旋镖翱翔操作示意图

2. 澳大利亚气球运动

最近，可能由于环球景象模式非常，日本上空的喷气流颠簸加剧。
回旋镖翱翔哀求喷气流和平流层风的风向稳定且相反；风向颠簸越大，翱翔机会就越少，尤其是永劫光翱翔。
除了不利的景象条件外，更严格的安全法规和资源匮乏也限定了海内高空气球活动。
鉴于这些制约成分，现在增加气球尺寸、有效载荷重量和翱翔韶光尤为困难。

因此，2015 年，日本宇宙航空研究开拓机构在澳大利亚爱丽斯泉开展了一次高空气球活动，作为未来可持续外洋活动的先驱。
爱丽斯泉位于澳大利亚中部，地域辽阔，人口相对稀少。
爱丽斯泉机场作为高空气球发放场已有半个世纪的历史，因此具备高空气球运行的必要举动步伐。
通过利用这些现有举动步伐和当地以前的技能诀窍，我们估量从爱丽斯泉出发的气球翱翔活动将与从塔尔马机场出发的海内翱翔活动相得益彰。
它在延长翱翔韶光、在陆地上空回收和在南半球不雅观测方面尤其具有上风。

为了开展气球活动，我们将各种专用设备运到了澳大利亚。
图 2(a)显示的是连接到起重机吊臂顶部的发放头。
这个发放头是专门为澳大利亚的活动开拓的，其根本是在日本得到充分验证的电动开释机制。
图 2(b)显示的是一个带有车载发放滚筒和气体掌握器的锻模，这两个装置也是专门开拓的，与在日本经由验证的装置类似。
锻模与氦气拖车的原动机相连。
用于遥测、跟踪和指挥系统的移动站也运到了澳大利亚。
在爱丽斯泉，一套天线安装在美国航天局建造的机库上（图 2(d)），并与地面上的移动站相连（图 2(c)左侧）。
此外，我们还在爱丽斯泉以东 1000 公里处的朗里奇建立了一个下行站点；图 2(e) 显示了那里的一个移动站。
在爱丽斯泉，我们建立了一个气候系统，个中包括一个一体化气候传感器和一个多普勒-声纳风廓线仪。
测得的气候数据通过互联网在日本持续监测，以积累整年的当地气候数据。

图 2. (a) 发放头（黄色部分）连接到起重车的吊臂顶端。
GRAINE 有效载荷悬挂在发放头的开释装置上。
(b) 带有发放滚筒和气体掌握器的锻模，连接到氦气拖车的前销轴上。
(c)、(d) 安装在机库屋顶上的天线，与爱丽斯泉地面上的移动站相连。
(e) 朗里奇的独立下行站。

在 2015 年的澳大利亚活动中，为伽马射线核乳化天体成像仪（GRAINE）项目发放了一个原型有效载荷（Takahashi 等人，2016 年）。
该项目旨在利用乳剂薄膜望远镜以高角度分辨率不雅观测天体伽马射线。
科学有效载荷重约 500 千克，大小适中（2.4 米（长）× 2.4 米（宽）× 3.0 米（高））。
气球于 2015 年 5 月 12 日上午发放升空（图 3(a)）。
经由 14 小时的翱翔，GRAINE 有效载荷在约 37 千米的浮空高度降落在 Longreach 附近，并被安全快速地回收，这是一次非常成功的翱翔（图 3(b)）。

图 3. (a) GRAINE 有效载荷在发放前与气球相连。
(b) GRAINE 的翱翔轨迹。

在这次先导翱翔成功的根本上，我们操持每隔几年在澳大利亚进行一次翱翔。
我们打算将最大有效载荷重量和翱翔韶光分别延长到两吨和几天旁边。

3. 超薄气球研制

在采取第 2 节所述的大规模气球实验方法的同时，我们还办理了达到更高空的寻衅。
为了利用轻型有效载荷更随意马虎地探索中间层，自 1991 年以来，我们一贯在逐步开拓由非常薄的聚乙烯薄膜制成的轻型气球。
1997 年，一个由 5.8μm 厚的薄膜制成的体积为 120,000 立方米的气球将 11.8 千克的有效载荷升至 50.2 千米的高度，创下了当时日本气球翱翔高度的记录（Yamagami 等人，1998 年；Matsuzaka 等人，2000 年）。
接下来，我们利用茂金属作为催化剂，开拓出了厚度为 3.4μm 的更薄的聚乙烯薄膜（Saito 等人，2002 年）。
2002 年，用这种 3.4μm 厚的薄膜制成的体积为 60,000 立方米的气球将 4.6 千克的有效载荷升至 53.0 千米的高空，创下了当时无人驾驶气球的翱翔高度天下记录（Yamagami 等人，2004 年）。
随后，我们又开拓出了厚度为 2.8μm 的更薄的薄膜（Saito 等人，2006 年）；然而，在考试测验发放由这种超薄薄膜制成的气球时，我们碰着了困难。
根据在漂浮 60,000 立方米 2.8 微米厚的气球时连续三次失落败的履历教训，我们重新评估了发放超薄薄膜气球所涉及的所有关键问题。
例如，我们修正了球体设计、气球制造程序、发放滚筒、套环、开释机制和发放方法，以保障气球本身及其系统（Saito 等人，2012 年）。
不幸的是，2011 年，我们考试测验漂浮一个经由改良的 2.8 微米厚的薄膜气球，气球容积为 80,000 立方米，气球上只有一个盖子，但这次考试测验失落败了。
由于这次失落败是由机载翱翔终止装置故障造成的，因此我们对机载装置进行了升级，以提高其可靠性。
为了确保翱翔终止，我们还修正了气球撕裂板的设计，从 \"大众I \"大众形改为普通气球利用的倒 \公众V \公众形。

终极，2013 年 9 月 20 日，我们成功发放了一个用 2.8μm 厚的薄膜制成的体积为 80,000 立方米的气球（图 4(a)）。
这个气球悬挂了 3.2 千克的有效载荷，翱翔高度达到 53.7 千米，再次刷新了无人驾驶气球的天下最高记录。
环球定位系统（GPS）和测距（Nishimura，1993 年）丈量的气球高度是同等的（图 4（b）和 4（d））。
通过机载摄像机拍摄的向上***，我们确认气球的排气管（马尾型）在漂浮时完备打开，从而表明气球已完备展开（图 4(c)）。
在漂浮了 12 分钟后，由于气球已靠近关照的溅落区边界，无线电指令终止了翱翔。

图 4. 2013 年 9 月 20 日上午从塔台发放的气球，其翱翔高度追平了 53.7 千米的天下记录：(a) 发放，(b) 翱翔系统重量和长度明细表，(c) 有效载荷上的摄像头拍摄的***，显示气球排气管完备打开，(d) 翱翔高度曲线（环球定位系统和测距数据同等，显示气球漂浮在 53.7 千米处）。

我们开拓的一些类型的超薄气球目前正用于高空科学翱翔，特殊是用于高层平流层和低层中间层之间的大气不雅观测。
为了提高这种为科学作贡献的能力，我们操持开拓一种加强型超薄膜气球。
近期目标是将 18 千克的有效载荷（个中 10 千克用于科学目的）提升到至少 50 千米的高度。
为了展示这一能力，我们操持将一个用 3.4 微米厚的薄膜制成的体积为 80,000 立方米的加固封顶气球漂浮在 50.0 千米的高空，同时悬挂一个 18 千克的有效载荷。
我们正在开拓一种新型轻质加强带，以减轻气球重量。
每件总线设备（如电信模块和安全装置）也将变得更轻。

4. 超压气球

我们还开拓了超压气球技能，这种气球具有封闭（或加压）的球膜，有望大幅延长气球的翱翔韶光。
我们提出了所谓的 \"大众Tawara \"大众型气球设计（Izutsu 等人，2010 年），它被描述为 \公众沿赤道分割的叶状南瓜 \"大众加上 \"大众插入赤道间隙的具有相同横截面的叶状圆柱体\公众。
Tawara 的支配稳定性远远优于南瓜形叶状超压气球的普通设计，地面测试（Fuke 等人，2011 年）和数值打算（Nakashino，2012 年）都证明了这一事实。

然而，从那时起，Tawara开拓被迫放缓。
紧张缘故原由这天本海上保安厅提出了一项额外哀求，即肃清气球在海上沉没的可能性，以最大限度地降落海洋污染风险。
与普通的零压气球不同，最初的 Tawara 模型是由密度大于水的薄膜和负载绳制成的。
因此，我们利用更轻的材料对 Tawara 进行了改造。
封套薄膜从多层 \公众BH25 \"大众薄膜（比重ρ=1.06）改为 30 微米厚的聚乙烯薄膜（ρ=0.9）。
原来的对位芳纶（凯夫拉）负载绳（ρ=1.44）被超高分子量聚乙烯（UHMWP）（ρ=0.97）所取代。
此外，还改进了撕裂板设计，采取了与普通零压气球类似的设计。

2013 年，通过利用按比例缩小的Tawara气球模型进行室内地面测试，我们证明利用这些更轻的材料不会降落Tawara气球的支配稳定性；仍旧可以保持足够的内压阻力（图 5）。
下一步是对小型Tawara型超压气球进行短时翱翔，以证明Tawara观点的实用性。
然而，为了在环球范围内使超压气球进行实际翱翔作业，有必要确保国际互助。

图 5. 由轻质材料制成的 5000 立方米Tawara型超压气球在机库中完备展开，以测试其展开稳定性和耐压性

5. 适应更高的繁芜性和多样性

正如我们所谈论的，JAXA 的气球活动为各个科学技能领域做出了贡献。
然而，在日本，人力、预算和翱翔机会等资源越来越不敷以知足气球用户对日益繁芜和多样化的哀求。
因此，除了日本宇宙航空研究开拓机构供应的高空气球翱翔外，日本空间科学家正在转向外国空间机构供应的宝贵翱翔机会，以开展他们的尖端研究。
事实上，为了利用 NASA、CNES 和 SSC 等机构供应的气球翱翔机会，已经在国际互助中开展或操持开展各种实验。

另一种选择是由用户自己开展气球翱翔活动。
第 1 节中提到的从事平流层大气低温采样的小组便是这种方法的一个例子，该小组除在 TARF 进行全面实验外，还在不同地点开展自己的气球活动。
该团队开拓了一种可由小型气球发放的紧凑型低温采样器（Morimoto 等人，2009 年）。
研究小组的几位科研职员已经接管了发放小型塑料气球的培训。
由于必须对不同纬度的大气进行采样才能考虑环球大气环流，该团队已在世界各地开展了气球活动：2007 年至 2013 年在南极洲 Syowa 站（例如 Morimoto 等人，2009 年），2012 年从赤道附近东太平洋的一艘船上（Fuke 等人，2014 年 b），以及 2015 年在印度尼西亚的 Biak。

6. 总结

日本宇宙航空研究开拓机构从 TARF 运行海内气球活动，为各种科学和技能努力做出了贡献。
面对景象变革和其他外部成分造成的日益有限的翱翔机会，我们操持每隔几年在澳大利亚开展一次高空气球活动，以补充我们的海内活动。
2015 年，澳大利亚先期活动已成功举办。
作为下一代气球技能的发展，我们发放并展示了多个由超薄薄膜制成的气球。
2013 年，一个由 2.8 微米厚的薄膜制成的气球创下了无人驾驶气球翱翔高度 53.7 千米的新记录。
我们打算扩大这些超薄气球的载重能力，以探索中间层的科学。
除上述各种活动外，我们还打算加强国际互助，为科学界供应更多的翱翔机会。

致谢

感谢大光株式会社和藤仓降落伞株式会社分别在开拓发放设备和塑料气球方面给予的持续支持。
衷心感谢台根本地政府、居民和所有干系各方对在 TARF 进行气球作业的支持。
我们衷心感谢 R. Sood、D. Sullivan、新南威尔士大学（UNSW）和英联邦科学与工业研究组织（CSIRO）为 2015 年澳大利亚气球活动的履行供应的专业支持。
还要向 H. Endo、Y. Kato、A. Kukita、S. Tsukui 和 K. Yamada 表示最深切的谢意，感谢他们在实行澳大利亚气球活动中的娴熟事情。

JAXA气球项目经理致辞

吉田哲也（Tetsuya Yoshida）

气球 \"大众这个词可能会让你遐想到广告气球、热气球或飞艇。
但我们正在开拓的大型气球是用于科学实验的，它可以像卫星或运载火箭一样进入太空。
热气球可以携带超过几百公斤的机载设备到达平流层，即 30 至 50 公里的高度。
由于上升力利用的是氦气，以是它不能像卫星和运载火箭那样飞越平流层。
另一方面，对机载设备的尺寸和重量限定比较宽松。
热气球还可以在一个国家内供应 10 次或更多的翱翔机会，翱翔韶光从几小时到一天不等。

利用这些上风，我们的项目不仅通过最新的科学不雅观测和工程验证实验，还通过对独特的尖端不雅观测设备和翱翔物进行多次功能测试，开辟了空间科学的未来，极大地促进了空间科学领域和知识的扩展。

开拓气高空球的永恒目标是让更重的机载设备飞得更高、韶光更长。
这种气球在各种科学不雅观测和工程实验领域都备受期待。
同时，下一代气球的开拓也为空间科学创造了新的研究机会。
气球项目组一贯在研究和开拓一种独特的超薄膜高空气球，它可以通过平流层到达中间层。
2002 年，我们成功地实现了 3.4 微米厚聚乙烯薄膜气球 53.0 公里的高空翱翔，创下了无人驾驶气球翱翔的天下记录。
我们正在连续利用更薄的薄膜气球进行更高空的翱翔。
我们的目标还包括创造 \"大众超高压气球 \"大众的天下记录，这种气球可以在预定高度翱翔数十天。
我们期待在不久的将来，能看到气球绕着另一个有大气层的星球翱翔，并进行探测。

虽然间隔第一个热气球成功翱翔已经由去了 200 多年，但气球仍在不断发展。
我们希望扩大气球的可能性，让它优雅地漂浮在空中。