Georgina torbet

摘要

当提及创新的太空发射概念时，你可能会联想到SpaceX的星际飞船或NASA的太空发射系统，它们携带着望远镜或机器人探测器进入轨道或更远的地方。当然，火箭会继续保留，因为它们仍然是克服地心引力运载物体的主要方式。然而，另一种更便宜的选择可能来自一种更古老的技术形式：气球。

充气气球被送入天空已经有几个世纪的历史了：在公元3世纪，中国古代军队就有使用气球来发送信号的记录，18世纪80年代，欧洲开始了载人气球飞行。它们也被用于天文学研究，比如美国20世纪60年代的“观星计划”(Project Stargazer)，该计划将两名宇航员和一架望远镜用高空气球送入82000英尺(25公里)的高空观察恒星。

现在，美国宇航局气球技术的最新发展意味着，气球可能再次证明它们在尖端天文学项目中的价值，将高科技望远镜带到大气层中，在那里他们可以观察宇宙。我们采访了多伦多大学的Mohamed Shaaban，他是新一代球载望远镜的研究人员之一，非常了解这项老技术是如何被赋予全新用途的。

飞高一点，远一点

要理解为什么气球在望远镜任务中有这么大的应用潜力，你首先需要理解为什么我们要把望远镜送入轨道。虽然地面上有很多望远镜在做着出色的工作，但如果你想观测真正遥远的物体，那么你需要考虑到地球大气层造成的麻烦。

最大的问题是大气中的水蒸气，它会使地面望远镜拍摄的图像变得模糊。这就是为什么望远镜经常被放置在非常干燥和海拔很高的地方，比如夏威夷的莫纳克亚山或智利的阿塔卡马沙漠。但最好的解决方案是从大气层上方观察遥远的物体，这就是为什么像哈勃这样的望远镜会被送入轨道的。

2016年6月，德克萨斯州NASA哥伦比亚科学气球设施上空的SuperBIT气球：超压气球搭载成像望远镜（Superpressure Balloon-borne Imaging Telescope）

在过去，如果你想在大气层上方放置一个望远镜，一般会选择用火箭把它送入轨道。但这是一种昂贵且不容易做到的方法——而且解决任何出现的问题并需要更换硬件的代价非常高昂——但这是一种避开地球大气层的高度可靠的方法。

另一方面，气球已经被用于科学研究几十年了，通常是在南极洲上空。在此之前，使用气球望远镜的问题主要在于光线。大多数科学气球都是在南极洲发射的，因为研究设备通常由太阳能电池板提供动力，而太阳能电池板只能在白天工作，而南极洲在夏季是24小时的白天。但这意味着你只能做白天能做的研究，这对望远镜来说不是好事。

但美国国家宇航局最新开发的气球被称为超压气球，可以在地球中纬度地区工作，并且能昼夜循环。“这将是我们第一次(用气球)进行夜间科学研究，”Shaaban说，这为一系列天文学项目打开了大门。

一种新型气球

气球作为携带望远镜的一种方式有很大的优势。首先，发射气球比发射火箭便宜得多。并且你可以很容易地把望远镜带回到地球，然后重新发射，所以如果你需要进行必要的维护，那么它就相对容易。当你考虑到哈勃望远镜在1990年发射后不久就出现了硬件问题，并且维修它是多么困难和复杂的时候，就会意识到这是一件大事。

Shabaan说:“气球的美妙之处在于可以回收发射。”“所以你可以多次启动系统。所以你可以把一些不需要第一次工作的东西拿出来放一块-因为你在发射前将有一整个晚上的时间来测试它，然后把它安装回去，再重复实验。所以你不需要轨道(任务)那种非常激进的测试模式。”

正是这种复杂的测试提高了轨道任务的成本。确保每一件硬件一开始就能正常工作，每件东西都有多个冗余，而且所有这些冗余也能相互协作——这就是为什么太空项目的预算会飙升。

使用气球，可以更容易地迭代和调整硬件设计。如果你把一个气球送到足够高的大气层边缘，水蒸气对望远镜的影响就微乎其微，几乎跟轨道上一样了。

传统的气球被称为零压气球，它的工作原理是在太阳升起时释放气体，使气体膨胀。当太阳落下时，气体会收缩，同时气球也会下降。这种新型超压气球的工作原理是将气体密封起来，不释放，即使在膨胀时也是如此。由于没有排气，气球可以在太阳下山时停留在高空，这样它就可以在夜间继续工作，持续数月。美国宇航局的超压气球预计将持续30到100个夜晚的运行，这样远远超过之前的短短几天。

球载望远镜

Shabaan和他的同事们在他们的望远镜项目中使用的就是NASA这种新型的气球。他们有一个名为SuperBIT的项目，该项目计划将一个望远镜停留在空中，并使用复杂的自主软件控制指向正确的方向。通过感知气球的微小运动并自动对其进行补偿，他们的望远镜将以前所未有的精细程度观测到球载任务目标中的恒星。

保持望远镜指向某个方位的事情对于精确观测至关重要，SuperBIT有自己的独特方法。望远镜由一个外框、一个中框和一个内框组成，每个框在不同的轴上运动:偏航、俯仰和滚转。组合起来，这使得望远镜可以指向天空中的任何地方。Shaaban解释说:“这意味着，如果我经历了一些干扰运动，我可以通过向这三个方向中的移动来消除它。”

“一般要精确操纵很难，但对于这种操纵，实现起来是比较容易的。”

上面的方法提供了一个基本水平的稳定性，但为了真正实现精确观测，它需要更稳定才行。望远镜内部有一面反射镜，它可以以每秒50次的极快速度移动。当光线进入望远镜时，如果因为望远镜的轻微运动而出现抖动时，反射镜会根据这种运动进行调整，以便光线到达传感器时不会晃动。反射镜做出的运动是根据望远镜上所有传感器的数据计算出来的，所以望远镜可以完全自主实现稳定。

而且对于这些小移动的修正不是通过需要燃料的推进器来实现。相反,他们是利用气球的自身运动特点。Shaaban解释说:“SuperBIT的工作方式是，通过传感器感知这些动作，它将通过马达扭转气球，来抵消这些动作,这意味着它基本上是采用把动量交换到气球上面的方式。但是气球太大了，就像往海里倒了一杯水。海平面不会上升的。”电动机靠电池供电，电池由太阳能电池板充电，所以不用担心燃料。

这一切的结果就是，气球可以锁定在天空中的一个方向，以高水平的准确性进行观测。Shaaban说:“你让SuperBIT指向哪，它就指向哪。他并且解释道：“它会观测一个物体，并且一直跟踪它。它也会确保，从相机的角度来看，物体的移动不超过20毫角秒”。这使得SuperBIT成为第一个衍射极限的非太空望远镜，因为它既在大气层之上，并且读数的抖动基本上为零，这使它成为一个强大的科学工具。

如何驾驶运载望远镜的气球

上文是介绍从气球上利用望远镜瞄准的方法。但是如何移动气球本身呢?说到气球，把它们放到你想要的位置可能是一个挑战。Shaaban解释道:“一般要精确操纵很难，但对于这种操纵，实现起来是比较容易的。这是因为你可以利用天气模型来找到你所需要的风向，并通过调整高度来进入风流。这可以让你大致按你所需要的方向移动气球。

然而，当负载非常重时，操控就变得困难得多，就像望远镜一样。但幸运的是，大多数科学应用实际上并不需要气球在地球上的特定位置——它们到达的高度更重要。这类任务唯一需要考虑的问题是，为了公众安全，操作人员必须避免让气球在人口密集地区上空飞行。

“气球爆了，然后你扔出一个降落伞。这有点像跳伞任务。”

气球上升到35到40公里(20到25英里)的高空，这个区域被称为平流层。作为参考，这是在飞机飞行的上方，但在像SpaceX的星链星座这样的卫星位于非常低的地球轨道上的下方。这个高度足以看到地球的曲率，但没有高到可以看到整个地球。它并不是最吸引人的环境——它很冷，温度在-30到-40 C(-22到-40 F)之间，但没有轨道空间那么冷。那里也有恼人的辐射，不过也没有轨道上那么糟糕。因此，工程方面的考虑与轨道任务的设计没有什么不同，Shaaban说:“这是可以利用的空间，但在我们面临的挑战方面有所不同。”

望远镜的可回收性带来了另一个挑战:如果你想回收并重复使用气球，你不会希望你的望远镜被丢弃在难以接近的地方。在SuperBIT的测试飞行中，该团队仔细选择了他们的操作基地，从德克萨斯州的巴勒斯坦或安大略省的蒂明斯发射，这两个地方都被大片无人居住的土地包围，但很容易从那里回收望远镜。

SuperBIT

至于气球降落，这可能是一段颠簸的旅程。“我们会真的把气球弄破，”Shaaban 说。“气球爆了，然后你扔出一个降落伞。这有点像跳伞过程。”在测试SuperBIT硬件时，为了缓冲着陆时的冲击，实验团队在望远镜上增加了防撞垫，以吸收一些动量。有时他们很幸运，望远镜在下降过程中着陆，相对来说毫发无损。但有些时候，硬件在着陆时会受损。

尽管如此，即使是一个严重损坏的望远镜也不是世界末日，因为修理它仍然比从头开始建造一台新的望远镜便宜。他解释说:“翻新一项被损坏的着陆任务要比测试成本低得多，所以第一次就能成功。”

如果要从中得到一个整体信息的话，那就是在面对潜在的未知和极端条件时，检验空间硬件的准确性是非常非常昂贵的。Shaaban强调:“以低成本模拟(太空)环境真的、真的、真的很难。但事实证明，乘坐气球去这些环境既便宜又容易。”

SuperBIT项目以外

SuperBIT已经进行了几次试飞，正在为正式的飞行科学实验做准备，但不幸的是，这些飞行因为疫情的缘故推迟了。但这台望远镜只是一个开始：该项目真正的重点是它的继任者，暂定名称为GigaBIT。

“SuperBIT是一个探索者实验，”Shaaban说。这项研究的长期目标是创造出可以在超压气球上飞行的最高分辨率的望远镜，以满足天文学家以低得多的成本对通过可见光和近紫外线波长进行高分辨率成像的需求。

这是必要的，因为像哈勃这样的望远镜供不应求，这意味着有很多的项目想要使用它们，但是不可能有非常充足的观测时间。因此，该团队正在建造一个更强大的望远镜来满足这一需求。基本硬件将与SuperBIT类似，但望远镜将更大，以提供更高分辨率的成像。为了发放这个更大的望远镜需要同时控制重量，因为SuperBIT已经达到了气球可以携带的最大质量，GigaBIT将使用碳纤维等其他材料来代替铝。

2019年9月，SuperBIT在加拿大蒂明斯平流层气球基地进行的最后发射准备（Steven Benton /普林斯顿大学）

如果有这样一系列的气球可以携带像这种分辨率望远镜，并根据需要定期发射和着陆，这将是对全世界天文学家的宝贵帮助。

这并不是说他们想淘汰哈勃这样的望远镜，Shaaban说:“哈勃的分辨率比SuperBIT高得多，但视野也小得多。所以没有好坏之分，只是不同而已。它可以解决完全不同的科学问题。”

考虑到球载望远镜的应有潜力，你可能会觉得它的倡导者会宣传它们优于像哈勃这样的太空望远镜。但这与Shaaban的情况并非如此——相反，他强调了陆基、气球和天基仪器之间合作的潜力。

让球载望远镜飞离地面意味着可以做更多的研究，这将使天文学界的每个人受益。“天文学之美，”Shaaban说，“除了如此非凡的、令人谦逊的努力之外，还在于它具有令人难以置信的协作性。”