本期接着上期和上上期内容，繼續分享火星超壓氣球相關文章。前兩期分别對氣球設計，制造和形狀求解進行了分析，本期介紹NASA實際開展的4次火星超壓氣球系統樣機在臨近空間高度進行的投放充氣試驗。參考NASA/Jet噴氣實驗室2009年在華盛頓州西雅圖市舉辦的AIAA科學氣球學術會議上發表的一篇文章，文章題目為“Mars Balloon Flight Test Results”。以下對這幾次飛行試驗逐一叙述。

這4次飛行試驗由NASA/JPL，NASA Wallops飛行局，臨近空間公司的團隊共同開展。試驗重點驗證超壓氣球由折疊狀态在空中釋放展開及充氣過程。由于火星氣球球膜采用輕質薄膜材料，不太容易能夠抵抗住空中展開和充氣過程帶來的破壞。投放試驗在地球臨近空間30 km高度開展，這裡能夠較好模拟火星表面的低密度（0.02kg/m3）和低溫（226K）條件。試驗結果突出表現了使用較大尺寸降落傘的必要性，以減小氣球承受的動壓（減小至5Pa左右）以及使用撕裂編織帶（ripstitch，通過拉扯縫制好對折了的布條帶并拉斷縫線來消除沖擊能量）來減小過載沖擊。

4次飛行試驗包括3次正圓形超壓氣球和1次南瓜形超壓氣球。試驗用的正圓形超壓氣球直徑為12m，使用12.7微米厚聚酯薄膜（Mylar）制作。南瓜形超壓氣球體積為660m3，加強帶為Zylon纖維材料，球膜為15微米的共擠聚乙烯薄膜。加強帶可以提供足夠的強度來承受氣球釋放展開和充氣中的過載。兩種超壓氣球的球形參數如表1所示。

雖然地球30 km高空和火星環境相似，但由于地球重力加速度（9.8m/s2）大于火星表面重力加速度（3.7m/s2），所以這種投放試驗也許比火星真實投放過程有更快的飛行速度和更大的過載沖擊，投放條件更為嚴苛。投放過程執行動作序列如圖1所示。

圖1 投放過程執行動作序列

火星超壓氣球系統原型樣機由攜帶氣球挂載至試驗高度。氣球由折疊狀态開始拉直展開是在與攜帶氣球分離并且在降落傘吊挂下達到與火星再入相同動壓條件下進行。氦氣充入過程持續150s。在215s時由火工品切斷降落傘四根懸挂線中的一根。這樣做是為了讓降落傘幾何不對稱，以在下降過程中有橫向漂移運動。橫向運動能夠确保降落傘在之後切割分離後下落過程中不會砸到火星超壓氣球。氦氣儲存罐與降落傘近乎同時切割分離。之後火星超壓氣球自由飛行，高度上升至設計升限高度。

4次飛行試驗都是在美國夏威夷州Ocean View進行。表2列出了四次飛行信息。

圖2為即将發放的STRA-15超壓氣球地面發放狀态。圖2中藍色泡沫塑料盒狀結構（最前面的）中裝有卷起來的火星超壓氣球樣機，氦氣罐，充氣管道，接收地面無線電命令的航空電子設備，無線電探空儀，一個向上看的攝像機，信号發射機和輪軌式天線。在泡沫箱子後面鋪在地毯上的是一個橙色傘衣的降落傘，最後面是作為臨近空間投放平台的主零壓聚乙烯膜氣球。藍色泡沫載荷箱隻有65kg，能夠僅以發放人員手托的方式完成發放。

圖2 地面發放狀态

圖3是整個投放試驗系統結構組成示意圖，主要包括三個主要模塊（即載荷模塊，火星氣球和降落傘）。各模塊之間使用凱芙拉（Kevlar）繩子相連。整個系統包括4段撕裂編織帶（ripstitch）。L1段用于載荷模塊；U3段用于上部纜繩切割時沖擊過載；U2段用于上部照相機盒，收發器和天線設備防過載；U1段用于在氣球拉直展開瞬間增大50m降落傘與氣球之間距離用以避免在發放時系統長度過長增加發放難度。氣球與降落傘之間較長的連接距離也能減小降落傘受到大氣流過氣球後旋渦脫落（氣球後尾流）帶來的影響。所有撕裂編織帶都是MIL-W-4088K IV型織帶和尼龍縫線制成。并且在撕裂編織帶上作出黑色标記以方便攝像機觀察編織帶是否被拉開。

每套飛行系統都有一定數量的傳感器用于采集試驗數據。一個定制的Sippican Mark IIA無線電探空儀安裝在載荷模塊以1HZ頻率采集大氣溫度，壓力和GPS位置（飛行高度）。此外，該探空儀有3路數據采集通道，包括氦氣罐壓力，氦氣罐溫度和球底溫度。所有這些數據由Sippican W9000地面站獲取并與筆記本電腦連接以顯示數據及實現地面操作。無線電探空遙測數據由标稱範圍為250 km的10 dBd八木天線（引向反射天線）以240mW功率發出。視頻圖像遙測數據流雙色NTSC制式視頻下行鍊路由地面16dBd八木天線四陣列（總增益22dBd）接收。飛行視頻發射機為1W到0 dBd的車輪天線，提供約300km的标稱無雪花視頻鍊接範圍。（這段翻譯的很吃力~）

關于這套系統的執行命令無非是打開閥門或者切斷繩索。由地面控制中心使用便攜式信号發射器進行操作。它通過7.5 dBd八木上行天線發送45 W命令無線電信号，标稱範圍為650 km。對于STRA-14的命令序列如表3所示。STRA-15命令序列如表4所示。三個閥門用于控制氦氣充入。充氣管道是一個簡單的吹洩系統，從31MPa（4500psi）的氦氣罐通過三個平行的固定孔口，每個孔口都與順序打開的常閉閥門配對。第一個孔直徑為0.76mm，提供低4g/s的初始流速，以在氣球中形成初始氣泡。待氣泡起來後，再換成大充氣口以保證安全充入氦氣。氦氣流速由閥2和閥3快速充入，在投放後90s至150s之間完成。表5總結了各套系統三個閥門的直徑，峰值流量，流動持續時間和氦氣罐壓力。

STRA-13飛行試驗結果

STRA-13正圓形超壓氣球試驗在2007年6月27日早上進行。但不幸的是還沒有開始投放試驗，就在母攜帶氣球帶着超壓氣球系統上升段過程中，就出現了意外。由向下看的攝像機拍攝到載荷模塊頂部圖像如圖4所示。可以看到，盡管超壓氣球是被卷好放入載荷模塊，但其在上層大氣低密度環境中由于内部剩餘氣體而自己膨脹展開了（這也太不幸了）。以至于火星氣球最後膨脹到使勁推開了壓制它的箱蓋，并且最終蓋子被撐破了。随着母氣球進一步上升，火星氣球繼續膨脹以至于在投放前就達到了1m直徑（圖4中大小）。根據之後傳回的飛行圖像，這個氣泡在投放後出箱時被破裂的箱蓋邊緣給劃破了。可以說這次試驗沒有取得任何有用的數據。

圖4 STRA-13飛行試驗攝影記錄

STRA-14飛行試驗結果

STRA-14南瓜形超壓氣球試驗在随後的2007年6月30日早上進行，也就是STRA-13失敗後的三天，并且在地面采取了兩種手段以避免火星氣球内部的殘留氣體問題。第一種手段是在撓性軟管上鑽一個直徑為0.5 mm的小孔，為軟管内的殘餘氣體提供直接通風路徑。這個小孔很小以至于在氦氣泵入時洩露率遠遠小于1%。第二種手段是将南瓜形氣球放入一個真空實驗艙内數小時時間以盡可能抽幹氣球内部的殘留空氣。此外還仔細檢查了球頂法蘭的通風管道是否存在堵塞問題。經過再三确認，工程師們認為這次發放的火星超壓氣球不會出現堵塞問題，因為超壓氣球不像之前正圓形氣球那樣緊密折疊，超壓氣球折疊後較為松散，并且充氣管也沒有覆蓋住氣球頂部法蘭結構。在實際開展的飛行試驗中，STRA-14也并沒有出現殘留氣體膨脹問題。母氣球系統在發放1個半小時後成功上升達到31km高度。

本次STRA-14火星南瓜形超壓氣球試驗在之後的空中投放和充氣過程既有成功之處，也有失敗的地方。南瓜形氣球成功投放，沒有出現結構破壞。然而在充氣展開時，很不巧朝下方看的攝像機壞了，這影響了後續試驗結果的判斷。很可能是投放拉直時的沖擊過載機械破壞了連接攝像機與其支撐結構的粘合接頭。之後的充氣展開等試驗科目隻能依靠向上看的攝像頭獲取圖像了。

圖5展示了6副超壓氣球空中充氣過程的攝影記錄。可以說所有的作動器和分離設備都正常按照預定計劃工作。氦氣罐壓力監測表明氦氣在預計90s時間内成功充入了氣球中。但是，從圖像中仍然可以清晰地看到氣球球膜在充氣過程中多處出現撕裂。第一處撕裂在開始充氣後20s時刻，也就是最大充氣流速時候出現（C圖）。這可能是因為充氣軟管在最大充氣速率時出現劇烈搖晃，出現類似降落傘充氣展開時傘繩常出現的鞭打行為。軟管多次拍擊氣球球膜，造成了球膜多處破壞。有趣的是，本身使用這種多孔充氣管就是為了避免氦氣直接沖擊球膜帶來損壞，而試驗卻表面充氣管抽打才是破壞球膜的直接原因（果然實踐出真知）。盡管球膜被破壞，超壓氣球仍然最後基本上實現完全充滿，看起來就像沒有損壞一樣完整（d圖）。之後的降落傘和氦氣罐等載荷分離也是成功開展（e圖和f圖）。但又沒有想到的是，在分離過程中，本應跟着超壓氣球進一步上升飛行的航電設備随着氦氣罐等載荷一起被抛掉分離了，這使得之後超壓氣球基本是盲飛狀态，地面操控中心沒有收到之後任何有用的數據（很洩勁）。另外，讓人欣慰的是，從圖像中看到在降落傘剪短其中一根傘繩後，降落傘-氣球系統出現橫向漂移，降落傘在之後下降後也沒有砸到超壓氣球（圖f）。

圖5a t=0s, 開始充氣展開前。展開的降落傘和拉直的氣球球膜。下方白色充氣軟管清晰看見

圖5b 充氣展開10s後，在第二個充氣閥打開，即出現高速充氣之前

圖5c t=22.5s。觀察到氣球被抽打的軟管破壞了。

時間是第三個閥門開啟之前

圖5d t=42.2s。盡管氣球出現破裂，但還是充滿了。可以透過氣球看到上方橘色的降落傘以及球底橘色的充氣管。

圖5e t=91.0s。時間剛好為降落傘和下部氦氣罐等載荷分離時刻。

圖5f t=93.9s。觀察到氣球和降落傘飛行軌迹出現橫向漂移

關于本次STRA-14火星南瓜形超壓氣球飛行試驗的總結，一緻認為使用了最大充氣速率69g/s的又長又薄的内部充氣管導緻充氣管抽打行為，使得氣球球膜被破壞。之後工程師将最大充氣速率設計調小至48g/s。總的來說，本次試驗取得了相當多的有效數據，各項操作科目也是相對順利完成。另外，從試驗中觀察到大家很關心的氣球充氣過程中的流固耦合氣彈行為似乎并不強烈，氣球展開還算是溫和，說明低動壓環境（5Pa）對于火星氣球再入充氣過程是可以接受的。氣球展開溫和的表現也說明也許并不那麼急着将氦氣充入氣球中，可以采用低流速且延長充氣時間來使得整個系統更加穩定。

STRA-15飛行試驗結果

STRA-15正圓形超壓氣球試驗在第二年，也就是2008年的6月14日早上進行（提前劇透，本次試驗很不幸又失敗了。各位看官請繼續往下讀）。在地面發放後，母氣球成功達到30km升限高度，順利地沒有出現之前内部殘留氣體膨脹問題。氣球頂部閥門在整個上升過程保持打開。并且在投放拉直時受到瞬時沖擊力作用而機械關閉以開展之後的充氣動作。一個定制的止回閥安裝在氣球底部以使得内部殘留氣體可以在上升時排入平流層大氣中，并且在之後氦氣充入時能自動關閉。頂部的閉合閥門和底部的止回閥聯合工作以保證上升過程殘留氣體的排出和充氣時氦氣的氣密密封。

在2008年這次試驗中，對内部的多孔充氣管也進行了改進。新設計的充氣管不再是一個又薄又長的圓管，而是由一個有着頂部平面縫合的錐形充氣管（圖6所示）。在真空艙中設置50g/s充氣流速對該錐形充氣管進行測試以觀察是否仍會出現2007年超壓氣球那次的抽打行為。實驗結果表明該錐形充氣管非常穩定，能夠滿足設計要求，起到氦氣充入時的擴散作用。之後将該新型錐形充氣管運用在了STRA-15火星正圓形超壓氣球中。

圖6 新型錐形充氣管在實驗室低壓環境充氣流動測試

但不幸的是，STRA-15正圓形氣球在空中投放階段就出現了災難性的破壞，後面的充氣階段并沒有實現，整次試驗也沒有獲得任何有用的數據。氣球結構在頂部雙層頭處撕裂。圖7記錄了該火星氣球破壞瞬間。可以清晰看到氣球破壞了的邊緣。之後的飛行圖像記錄可以看到碎了的氣球球膜分布在雙層頭球膜周圍，氣球整體破壞出兩半，包括還與球頂和球底結構相連的殘留球膜。

圖7 STRA-15空中投放時就出現的災難性破壞圖像

這種結構性的破壞自從2001年第一次10m正圓形氣球飛行試驗就沒有出現過。在那次（2001）之後，工程師們采用了新型撕裂編織帶和加強了的雙層頭結構似乎就早已解決了空中投放拉直時帶來的瞬時過載。對STRA-15之後的數據分析也沒有準确指出具體破壞的原因，但經過讨論，仍然歸納出一些建設性的結論。第一點是這次STRA-15氣球直徑為12m，比2001年那次的10m氣球要大些。更大的氣球會産生更大的拉直過載，因為更大的質量表示更多的重力勢能轉化為動能，使得拉直時轉化成更多的應變能。第二點結論可以從圖7中看出，圖中左上部氣球的球頂與圖像中間位置球底表示氣球實際上形成了一個弧形的形狀。雖然工程師們認為并沒有對氣球施加橫向作用力，但氣球球頂就是發生了橫向位移。在圖7記錄時刻之前的攝像記錄也證實氣球之前确實是豎直狀态，并沒有橫向運動或者是受到橫向風載。這個詭異的橫向位移一定是和氣球球副受到了不平衡的應力加載有關，也就是弧線外側的球副受到應力加載，而弧線内側的球副沒有受到應力拉扯。并且仔細觀察圖7，可以發現弧線外側的球膜破壞嚴重，這也許驗證了這一猜想。因此，内外側球副受力不平衡使得僅僅部分球膜被拉扯破壞。這種不尋常的橫向移動在之前幾次試驗中都沒有發生。

所以，究竟是什麼原因導緻氣球出現了橫向位移，仍然不得而知。但可以肯定的是，氣球要形成這種弧線形狀，是必須要把降落傘傘底到氣球球頂之間的距離拉短的。那麼就可能是氣球在被拉直瞬間産生了形狀長度振蕩，将降落傘向下拉了一把，這就使得氣球不可避免要出現橫向位移，形成了弧形。這就像生活中的吉他弦一樣，在快速拉動琴弦，然後出現垂直于弦的方向振動。通過觀察之前的STRA-11飛行試驗，可以發現降落傘确實被拉回了一點。這也許能解釋這個橫向位移。

不管怎樣，這次的試驗結果很打擊人，氣球頂部橫向位移的出現帶來高應力分布是個很糟糕的結果，這讓人不得不質疑氣球空中投放展開技術的可行性了。也就是說正圓形氣球設計還沒有足夠的安全裕量。而且也沒有獲得STRA-15直接視頻證據來證明所使用的幾個撕裂編織帶真正起到了緩解沖擊的作用，也許它根本就對這種特殊條件不起作用呢？這次試驗似乎預示着進一步減小氣球空中投放下降速度是再好不過了，以減小拉直展開時帶來的過載。也許在火星探路者和火星探測車着陸任務中廣泛使用的下降速度限制器（Descent Rate Limiter，DRL）可以運用到火星氣球空中投放試驗中吧。

最終，氣球結構的破壞結束了STRA-15飛行試驗，仍然沒有獲得任何有價值的充氣或者是分離時刻的數據（技術發展的艱辛曆程可見一斑）。

GRND-1飛行試驗結果

當然，此次JPL-Wallops-NSC火星氣球項目一個先驗共識是在氣球空中投放，充氣展開，切割及高度爬升後，能夠進入穩定，長航時的可靠飛行。因此，他們開展了一次直接從地面發放火星氣球飛行試驗，即GRND-1号試驗，以驗證最基本的該火星氣球是否能正常平飛。當然，這次試驗就單純假設氣球沒有受到空中投放或者充氣展開時的結構損壞，是一個結構良好的飛行狀态。GRND-1試驗在2008年6月11日早上開展，也就是打擊人的STRA-15飛行試驗前三天左右。該火星氣球是一個12m直徑的正圓形氣球，和STRA-15使用的氣球一樣。所攜帶的負載包括一個向上看的攝像機，一個用于提供GPS數據的Sippican Mark II無線電探空儀。

幸運的是，這次直接從地面起飛的火星氣球試驗取得了圓滿成功。飛行高度在當天中午之前到達30.275km，并且保持高度飛行了8.5個小時，高度波動範圍為75m。圖8展示地面發放後的攝影記錄。圖9展示氣球在平流層升限高度時平飛狀态。圖10為飛行GPS高度記錄曲線。氣球内部充入氦氣質量為2.509kg，地面發放是自由浮力為14%，升限高度正午時分超壓量為260Pa。根據薄膜圓球理論，最大承受壓差為820Pa。因此，安全因子為3.1。夜晚超壓量為180Pa。

圖8 GRND-1号火星氣球發放後飛行圖像

圖9 GRND-1在30.275km平飛高度時的狀态

圖10 GRND-1飛行高度記錄曲線

總的來說，這次試驗說明正圓形超壓氣球表現良好，當然不可否認的是，得假設在空中投放展開和充氣膨脹時結構沒有損傷。

本文的四次火星超壓氣球飛行試驗介紹就到這裡。小編能感受到這種技術性文章的精彩之處和獨特趣味，并且感受到技術發展的不容易，實踐中總是出人意外，但總歸是得慢慢發展的。用一句古詩詞形容就是“暗中過盡石髓滑，驚喜觀阙朝霞明”吧。

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