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气球探太空

文 / 赵洋

洛克希德·马丁公司的高空飞艇

火星上的飞艇

提起儒勒·凡尔纳的科幻小说，我们脑海中往往会浮现缓缓升空的气球。没错，在他的首部长篇科幻小说《气球上的五星期》（1863）中，英国探险旅行家弗格森为了核实前人探险的成果，就是乘坐热气球穿越非洲的。在现实世界中，法国人是气球航空的先驱，凡尔纳与当时著名的气球发明家纳达尔是好友。后来，凡尔纳在《太阳系历险记》（1877）中进一步想象流落彗星的人们登上热气球，利用彗星回归地球的机会飞回地球的情景。为了模仿《神秘岛》开篇提到的交通方式，凡尔纳本人就在1873年9月乘热气球升到1200米的空中。对凡尔纳来说，这短短24分钟的空中经历不仅是一次旅行，“它像一场梦，一场太短暂的梦！”后来的历史表明，后继者一直在丰富这个瑰丽的梦。

蒸汽朋客时代的飞艇

19世纪的蒸汽飞艇

一飞冲天

人们通常认为气球升空的高度有极限，空气过于稀薄，气球会在内部气压的作用下爆裂。其实，换个角度看，太阳以及大多数恒星都是“气球”。只要能用重力或薄膜把气体约束住，气球并不“厌恶”与真空并存，它完全可以飞至极高空，甚至飞进太空。

人类利用气球飞上高空已有很长的历史，但自从进入火箭时代之后，气球这种方式也随之告别辉煌。1961年，载人气球达到了有史以来的最高飞行高度——34.7千米，同一年，苏联宇航员尤里·加加林进入太空。加加林飞天的50年后，西班牙企业家洛佩兹·乌迪亚莱斯计划驾驶气球升到距地面36千米的高度。在这个高度看到的景象接近于太空——明亮的太阳悬于漆黑一片的太空背景里，地球的美丽曲线清晰可见，地平线上大气呈现出绚丽的铁蓝色。在火箭发明前，乘气球高飞的勇敢者就已经欣赏过这美妙的景象了。第一批将地球描绘成蓝色星球的人所搭乘的并非火箭，而是气球。根据乌迪亚莱斯的计划，载客舱悬挂在一个直径129米的大型氦气球下面。载客舱直径4.3米，可容纳两名驾驶员和四名乘客。气球可在距地面大约36千米的高度巡航几个小时，让乘客在宁静的高空饱览美景。

未来的近太空观光飞艇

早期气球飞行

除了观光，高空气球还有以下几个更重要的用途：

太阳能飞艇取代卫星 2003年，美国维默特公司在NASA的帮助下，研发出“百夫长”太阳能遥控飞艇，并成功进行了试飞。“百夫长”的外形很像一个巨型机翼，全长60多米，上面覆盖着许多太阳能电池板，用电力驱动沿机翼顺序排列的14个螺旋桨。它的有效载荷为272千克，与普通卫星相同。而发射一颗通信卫星至少需要1亿美元，配置一艘太阳能飞艇只需500万至1000万美元，一位领航员能同时遥控好几艘飞艇，其有效载荷也可方便地返回地面进行升级。

巨型气球清除太空垃圾在加拿大多伦多参加2010年航天动力学会议的工程师认为，氦气球在拖曳失灵卫星返回地球方面也能发挥巨大作用。任何新卫星发射时都可以携带一只折叠气球，一旦卫星报废，气球便会充满氦气或其他气体，这样当它与地球的稀薄大气接触时就会产生阻力。仅需一年时间，一只直径37米的气球就能将1200千克重的卫星从830千米的初始轨道上拉下来，使其坠入大气层内焚毁。而如果依靠卫星自然陨落，则需要几百年的时间。

轨道攀登者 2004年，美国JP航空公司提出了一种建造独木舟式高空轨道飞艇“轨道攀登者”的方案。该飞艇长达1.8千米，可以在30千米至42千米的高空悬停。使用离子推进系统，巨型飞艇能达到轨道飞行所要求的25倍音速飞行速度，在3天至9天内上升到近地轨道，成为一种可往返于地面和轨道之间的交通工具。这是一种新型的安全运输方式。一旦飞艇出现问题，只需断电转入飘浮状态，就可消除危险——不像曾发生重大人员伤亡事故的航天飞机一样，出了故障只能坠地。

气球和飞艇可携带大量重物

借助太空气球返回地球

气球探行星

过去，对行星表面进行探索往往使用着陆器和漫游车。但它们的探测范围实在有限，着陆器为几平方米，漫游车也不过几平方千米。探测气球（或飞艇）的出现则改变了这一局面。气球探测的优势在于可以承载较大型的探测设备，这将提升科学仪器的分辨率、灵敏度和数据传输速率。理论上，气球可以在太阳系有大气的八个星体上飞翔：地球、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星和土卫六泰坦。

金星距离地球近，大气密度大，是最容易使用气球探测的行星。1985年6月，苏联向金星发射了内充氦气的“维加AZ”探测气球，该气球直径3.54米，重20.5千克，在着陆器下降到距地面61千米时被释放出来。为抵御金星的酸性大气，气球外壳由不粘锅的涂层材料特氟龙制成。该气球的飞行高度是54千米，这里环境温和，温度大约为30℃。地球上的射电望远镜观测到该气球在金星的黑夜区域飘浮了将近两天。未来，如果人类能在金星着陆采样，气球也将是把样品带往绕金星轨道上的最合适的运载工具。

火星的大气密度很低，同样在60千米高度飞行的气球，火星气球的体积是金星气球体积的150倍。尽管如此，位于慕尼黑的德国火星协会研究人员正计划推出一种火星探测气球，其设计灵感更多来自于飞艇，如“兴登堡”号飞艇，而不是常见的着陆探测器。这种新式气球飞行器被命名为“阿基米德”，它将比人造卫星距离火星表面更近，其全色画面同地球摄影师在直升机上拍摄的画面颇为相似。

在土卫六泰坦上飞行的飞艇探测器

在长达一小时的降落过程中，这架火星气球飞行器会利用一批传感器测量温度、风向和湿度等数据。这些在不同高度收集到的数据将为科学家了解火星气候模式提供必要的“原材料”。参与该项目的科学家伯纳德·霍斯勒说：“探测器在距火星表面几英里处不能告知你大气密度，也不能给你一个在一英里高度拍摄的火星表面图像。但气球探测器却能实现上述两点。”一套磁性传感器还能记录下重力波动情况，从而为探察火星的地质构造提供助力。

以气御气

早在太空时代开始之前，罗伯特·海因莱因就在小说《太空士官生》（1948）中描写了与气动刹车相似的场景：为了在金星上着陆，飞船通过与大气层摩擦进行减速以节约燃料。在阿瑟·克拉克的小说《2010：太空漫游》中，苏联飞船“阿里克谢·列昂诺夫”号曾展开气球，利用木星上层大气进行减速，使飞船驻留于木星-木卫一系统的拉格朗日点。

气动刹车技术最早由NASA的专家在1968年提出，该技术是利用目标行星上层大气的阻力来改变探测器的速度，从而使探测器到达预定轨道。这一过程不需要消耗探测器的推进燃料，大大节约了发射成本，科学家们因此有机会研究更多的天体，其中包括拥有大气层的海王星和土星最大的卫星泰坦。气动刹车使用的气球还可以通过反射热量保护航天器及其有效载荷，使其在进入轨道过程中免受恶劣环境的影响。

1993年，麦哲伦金星探测器第一次使用了气动刹车技术。后来相继发射的火星全球勘探者探测器、火星“奥德赛”号探测器和火星侦察轨道器等行星探测器都成功运用了气动刹车。

以火星探测器为例，探测器以椭圆轨道绕火星运动，椭圆轨道的近地点位于火星上层大气中，当探测器经过此处时，就可以利用大气与探测器的摩擦阻力来减缓运行速度。通过一系列这样的制动过程，就可以让探测器降低至预定轨道运行。

“兴登堡”号飞艇

火星侦察轨道器进行气动刹车

气动刹车过程的持续时间一般很长，往往要穿越大气几百次，这对探测器来说是一个很大的挑战，意味着要频繁地机动调整探测器轨道的近地点高度。另外，目标行星的大气变化、控制指令准确与否、航天器的安全防护是否到位等都可能使刹车功亏一篑。评估表明，一般的探测任务采用气动刹车的成功率为97%。

气动刹车的优点在于能增加收集行星的科学数据的机会，改变了过去很难收集到这些数据的情况。1997年，火星全球勘测器通过气动刹车进入环火星轨道时，就探测到了火星地壳磁化的残留磁场。2006年3月到达的火星侦察轨道器在进行气动刹车时，观测到了火星大气层的状况。

着陆缓冲气囊可以看做是一种特殊形式的“气球”。1997年抵达火星的美国“火星探路者”号探测器，综合采用了气动刹车、降落伞、着陆缓冲气囊和反推火箭等多种措施完成软着陆。反推火箭使着陆器在距地面10米高处停止下落，然后切断伞绳，“探路者”自由下落，以每秒14米的速度撞上火星表面。在气囊的保护下，探测器弹跳了两分钟之久，行程达一千米。待包裹着气囊的探测器停止跳动和滚动后，气囊上的排气孔打开放气，使探测器暴露出来。

到2004年“勇气”号火星车着陆火星时，缓冲气囊有了进一步发展。包裹在着陆器上的气囊共4组，每组4个子袋，由缝纫女工使用缝纫机缝制。所有气囊连接在一起，以便吸收着陆的冲击并保持弹性。气囊用维克特纶制成，这种材料低温性能更好，强度比制作防弹衣的凯夫拉纤维高两倍，足以避免石块戳刺或弹跳时破损。但即便如此，三台气体发生器仍需要在着陆器弹跳和滚动时为气囊持续充气，以免气囊内的气体因火星上的寒冷大气而冷却变瘪。被气囊包裹的“勇气”号火星车和着陆器大约承受了30次弹跳带来的撞击，当然，这种撞击一次比一次柔和。

着陆缓冲气囊有效保护了在坚硬行星表面着陆的探测器，不过它偶尔也会“使绊子”。在“勇气”号登陆火星五天后，火星车仍未开下登陆舱平台。这是因为火星车正面偏左的一个气囊“不是很合作”，没有排尽气体，挡住了火星车的去路。为此，地面控制人员给数千万公里外的“勇气”号发指令，指挥它将这个已经泄了气的气囊高度又降低5厘米左右才完成目标任务。同样配备了缓冲气囊的欧洲“猎兔犬”2号火星探测器，则在着陆过程中意外损毁，原因至今不明。

缓冲气囊对着陆点的要求非常苛刻：着陆地点必须平整，这样气囊才不会滚进洼地中出不来，或是在陡坡上滚个不停。另外，在火星这种有大气层的地方使用气囊着陆，首先需要打开降落伞减速，这就要求得在“海拔”低的地方着陆，因为高处大气稀薄，降落伞无法充分减速。

火星探路者的着陆缓冲气囊

乘气球飞临大红斑

阿瑟·克拉克1971年发表的小说《遭遇“美杜莎”》中，想象了地球上的热气球探险家飞往木星科考、遥望大红斑的情景。木星大气主要由最轻的气体——氢气构成，所以只有一种气球可以在以氢气为主的大气里飘浮，即热氢气球。因此，“康泰基”号气球吊舱中安装了小型脉冲核聚变反应堆，用以加热气球中的氢气。“几千立方米的气球在天空中展开，像一朵开放的大花，然后吸入气体直到完全充满。”这是一个浮空平台，在木星大气层的气流上漂流。飘浮的地点位于木星表面上空267千米处，气温为-50℃，气压为5个大气压。小说中，探险家发现了飘浮在气球周围的水母一样的木星生物，它们也有类似气球的构造。后来，天文学家卡尔·萨根在其制作的科普片《宇宙》中再现了木星探测气球和气球状木星生物的奇景。

美国NASA兰利研究中心的科学家认为，飞艇将是未来探索土卫六泰坦的最佳工具。科学家表示，土星这颗卫星的大气层主要由氮气组成，含有有机物质，非常寒冷（气温为-300℃），上面有产生甲烷的物质，也许还有火山。科学家认为，土卫六在许多方面与地球有共通之处，它也许会告诉我们地球往昔的历史——在很久很久以前，地球上只有一些简单有机物，后来它们逐渐发展出了生命。

土卫六的高密度大气（地球大气的4.4倍）、低重力（地球重力的1/7）和低温（-181℃），使其成为使用探测气球的天堂。高密度大气可以提供更大的浮力，而低重力使得气球能装载更多的仪器，但在低温环境下，气球材料的强度必须增加。因此NASA科学家认为，土卫六特别适宜物体飞行或飘浮。他们提议今后要采用飞艇、固定翼飞机或直升机来进一步探索土卫六，其中，飞艇是最理想的探索工具。设想开发的飞艇是一种自主性很强的氦气飞艇，长18米，直径3.5米，载荷可达26千克，飞行高度1千米至5千米，一次至少能飞90天。

未来飞往木星的探测器将可携带飞艇和气球

探测遥远行星及其卫星的气球不宜使用一次性电池或太阳能电池供电，克拉克设想的小型核反应堆是很好的选择。现在已经有深空探测器使用放射性同位素热电源供电。有了充足的电能，气球可以配备螺旋桨，摇身一变成为更具机动力的飞艇。届时，木星和土卫六上是否有生命的谜题将有望得到圆满解答。

【责任编辑：杨枫】