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(wú)動(dòng)力浮空器。美國(guó)是發(fā)展高空氣球最早，技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家。1986年“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)失事之后，大量的科學(xué)觀測(cè)計(jì)劃開始借助高空氣球平臺(tái)，這在很大程度上刺激了美國(guó)氣球技術(shù)的發(fā)展。同年，美國(guó)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(jì)劃，并于1987年開始實(shí)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(shí)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(shí)間長(zhǎng)、價(jià)格低和回收方便等優(yōu)點(diǎn)。

最初高空氣球最長(zhǎng)的工作時(shí)間只有幾十個(gè)小時(shí)，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(wú)法作為長(zhǎng)時(shí)間觀察監(jiān)視的平臺(tái)。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(jìn)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(shí)間長(zhǎng)、偵查視野廣闊、效費(fèi)比高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其在軍事方面也有著廣泛的應(yīng)用前景，目前美國(guó)等一些國(guó)家正在開發(fā)其軍事用途。

本文重點(diǎn)從高空氣球的結(jié)構(gòu)、蒙皮材料、飛行試驗(yàn)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(duì)高空氣球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、蒙皮材料和熱特性的研究，以及超長(zhǎng)時(shí)氣球（Ultra Long Duration Balloon，ULDB）試飛試驗(yàn)成果。NASA高空氣球的研究及其發(fā)展代表了美國(guó)和世界高空氣球研究發(fā)展的最高水平，對(duì)其進(jìn)行綜述總結(jié)，對(duì)于我國(guó)高空氣球的研究發(fā)展具有參考和借鑒價(jià)值。

2 高空氣球的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)扁圓的橢球體，它利用高強(qiáng)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(duì)3種不同瓣角的高空氣球（如圖2所示）進(jìn)行了爆破壓力試驗(yàn)。通過試驗(yàn)測(cè)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(duì)稱形狀，而是會(huì)出現(xiàn)不對(duì)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?jī)?nèi)容之一。針對(duì)高空氣球順利完全展開問題，NASA研究人員對(duì)高空氣球進(jìn)行了多次室內(nèi)模型測(cè)試、材料測(cè)試及試飛試驗(yàn)。ULDB的試飛試驗(yàn)共有7個(gè)，試飛氣球的編號(hào)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(yàn)。分析表明，此次事故原因是制造加工問題。在540NT試飛試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)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(jìn)行了555NT的試飛試驗(yàn)。試驗(yàn)很成功，試飛歷時(shí)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(jìn)行了一系列地面模型測(cè)試。試驗(yàn)的主要變量是最大瓣角（即氣球最大周長(zhǎng)帶處的三角布條瓣角）。試驗(yàn)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(yàn)586NT和591NT都實(shí)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(huì)增加蒙皮面積，導(dǎo)致蒙皮質(zhì)量的增大。不過，隨著高強(qiáng)度質(zhì)量比材料的發(fā)現(xiàn)，南瓜形氣球可以實(shí)現(xiàn)更高的體積質(zhì)量比，使這樣的設(shè)計(jì)可以得到更實(shí)際的應(yīng)用。南瓜形氣球的可持續(xù)工作時(shí)間更長(zhǎng)，有效載荷能力更高。

3 球體材料力學(xué)特性研究進(jìn)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(shí)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(duì)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(shí)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(huì)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(duì)薄膜應(yīng)力變形的研究是非常重要的。

1993 年Henderson等針對(duì)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(shí)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(duì)氣球材料特性進(jìn)行試驗(yàn)，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(guó)德克薩斯A&M大學(xué)（TAMU）提出了一種新的方法，動(dòng)態(tài)機(jī)械分析法，利用動(dòng)力學(xué)方法和振動(dòng)力學(xué)方法對(duì)材料的粘彈性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并建立了非線性結(jié)構(gòu)模型[1]。

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

以上試驗(yàn)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(jì)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(huì)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。WFF使用直徑8m、具有48個(gè)三角形布條（gore）的超壓氣球和直徑30m具有230個(gè)三角形布條的超壓氣球（圖5）對(duì)極限應(yīng)變假說進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)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(huì)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(gè)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(duì)流換熱對(duì)其熱特性有很大的影響。熱特性變化及環(huán)境熱效應(yīng)對(duì)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(duì)氣球進(jìn)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(jiǎn)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(yáng)直接輻射和地球反射輻射、地球和大氣的紅外輻射、對(duì)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(yáng)輻射、地球反射輻射和地球紅外輻射，但沒有考慮對(duì)流換熱。目前研究采用的熱模型均進(jìn)行了較大簡(jiǎn)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(gè)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(jìn)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(duì)超壓氣球進(jìn)行熱模擬，得到了超壓氣球的設(shè)計(jì)模型，以及不同材料、不同環(huán)境對(duì)球體溫度分布的影響[12]。

環(huán)境對(duì)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(jìn)一步的研究。

5 ULDB試飛試驗(yàn)及進(jìn)展

應(yīng)用于長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)期觀察平臺(tái)，且具有搭載一定質(zhì)量有效載荷的能力。1989年開始的長(zhǎng)時(shí)氣球（Long Duration Balloon，LDB）工程使用的是零壓氣球，然而零壓氣球進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間飛行要借助極晝和環(huán)流，受緯度和季節(jié)限制，對(duì)于科學(xué)研究來說，其工作時(shí)間和工作范圍不能滿足要求，飛行時(shí)間需要更長(zhǎng)，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(qǐng)了超長(zhǎng)時(shí)氣球計(jì)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(yàn)是高空氣球研究中的重要部分，近年來NASA進(jìn)行了多次ULDB試飛試驗(yàn)（包括所資助的有關(guān)高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行的試飛試驗(yàn)），獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)ULDB的研究具有重要的意義。

5.1 2005-2009年主要的試飛試驗(yàn)

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(jī)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(jìn)行不同的科學(xué)觀測(cè)等，進(jìn)行了多次的試飛試驗(yàn)，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。文中主要列出了2005年到2009年間進(jìn)行的部分試飛試驗(yàn)[5、13-14]，見表1。

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5.2 高空氣球591N試飛試驗(yàn)

由以上試飛試驗(yàn)可以看出，隨著ULDB技術(shù)不斷地發(fā)展，試驗(yàn)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(cè)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(yàn)的目的是：評(píng)估材料的性能、檢驗(yàn)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(shí)際的飛行性能與飛行預(yù)測(cè)非常吻合，這次飛行各項(xiàng)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(shí)間的最高記錄，飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)54d1h29min。整個(gè)飛行過程中，都保持在設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)，而且飛行過程中沒有檢測(cè)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(gè)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(yàn)的成功表明距離ULDB的目標(biāo)更進(jìn)了一步。氣球材料性能試驗(yàn)、模型結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)等仍在進(jìn)行中，期待著下一次試飛試驗(yàn)?zāi)軌蛉〉酶玫慕Y(jié)果，早日實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(yàn)等各項(xiàng)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(huì)實(shí)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(cè)試驗(yàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)等一些國(guó)家正在開發(fā)其軍事用途，因此對(duì)ULDB飛行性能的要求會(huì)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(dòng)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(duì)提高氣球的整體性能十分重要。

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