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NASA-搭建高空科学气球平台

发布时间:2021-09-18 | 发布人:admin

NASA科学气球项目计划在2021开展新活动,预计在2021年进行18次飞行。

其中一项春季活动的任务是球载低温望远镜试验台或 BOBCAT 的第二次演示飞行。该任务将测试在气球上将低温天文台望远镜带至临近空间高度的技术。除此之外,其他任务包括:

哥伦比亚气球科学设施演示:验证日落后压舱物的演示飞行;

球载Chirpsounder(BBC):测试用于测量电离层中离子浓度的新技术;

全天空日球层成像仪(ASHI):在夜间提供气球上方天空的全视图,以查看日球层结构;

原始膨胀极化探测器(PIPER):双望远镜冷却至接近绝对零度,测量宇宙微波背景的极化,寻找在早期宇宙膨胀时期产生的原始重力波。

卫星子系统V.2迭代设计实验模块 (EMIDSS):用于开发仪器和通信的技术验证和科学演示器,以帮助调查墨西哥的气候变化和未来卫星任务的有效载荷方案。

 

 科学气球概述 

自30多年前成立以来,美国宇航局气球项目为科学技术探究提供了高空科学气球平台,其项目气球一直被用于进行科学试验,它们可以从全球各地发射,是一种携带可进行科学观测仪器的有效载荷的低成本方法。

 

在南极洲发射超压气球

图片来源:NASA/Wallops Flight Facility

 

 任务目标 

美国宇航局气球计划的主要目标是为科学和技术调查提供高空科学气球平台。这些调查包括有助于我们了解地球、太阳系和宇宙的基础科学发现。科学气球还为展示有前景的新仪器和航天器技术提供了一个平台,这些技术能够实现或加强科学任务理事会战略计划的目标。

 

 气球种类 

科学气球最多可以吊起8000磅(3600公斤),大约是三辆小型车的重量!

NASA 气球项目办公室使用多种类型的气球,将用于科学探究有效载荷送到大气中。气球项目办公室支持众多太空和地球科学研究任务,不同的气球可能适合不同的有效载荷。美国宇航局气球飞行项目目前使用的两种气球类型分别是是零压气球和超压气球。虽然任何一种气球都可适用于所有飞行类型,但零压气球通常用于短途飞行,而超压气球则用于长时间飞行。除极地地区的夏季外,零压气球的设计不允许延长其飞行时间。

 

零压气球 

这些气球在底部是敞开的,并且有从侧面垂下的开放管道,以允许气体逸出并防止气球在升至地球表面上方时由于气体膨胀积聚内部压力。此类气球的持续时间受限于气体损失,这主要是由于气球的昼夜循环。

 

超压气球(ULDB –“南瓜”)

这些飞行超长距离的气球或 ULDB 是完全密封的,没有开放的管道。气体无法从气球中逸出,压力会随着气体膨胀而增加。由于该气球中的气体损失最小,因此超压气球可以比零压气球飞行更长的时间。它们也因形状,被称为“南瓜”。

 

超压气球和零压气球的飞行剖面对比

图片来源:NASA/Wallops BPO

 

两种类型的气球都由一种叫做聚乙烯的塑料薄膜制成,其厚度与塑料夹层结构的外层相似。NASA气球最常见的尺寸是 4000 万立方英尺,或相当于超过 195 个固特异飞艇的体积(固特异飞艇的尺寸为 202,700 英尺)。当完全充气时,气球内部可以容纳得下一个足球场。技术人员使用氦气给气球充气,然后气球会漂浮在大约 120,000 英尺的高度,该高度是商用飞机的两倍多。自由飞行的气球可能会在一系列预计的任务类型中遇到严重的操作限制。

这些限制可能包括:

(a) 出于安全原因,任务时间长时需要避开人口密集的中心区域;

(b) 需要避开因地缘政治原因而受到限制的地区;

(c) 飞越特定区域;

(d) 在可接收区域回收载荷;

(e) 启用新科学,尤其是地球科学。

 

美国宇航局气球运行支持能力图表

图片来源:NASA/BPO Planetary Ballooning

 

气球项目与其他 NASA 中心和私营企业合作,继续调查在其他行星和空间体上执行气球任务的可行性。目前美国宇航局感兴趣的任务是针对火星、金星和泰坦星的试验。气球将能够在不同高度进行原位测量,而这目前在其他平台(如卫星和探测器)上是不可行的。

 

飞往火星的行星气球任务概念图

来源:NASA/Wallops BPO

 

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