气球在行星探测中的应用及发展

气球在行星探测中的应用及发展*张航悦*1,2，杨燕初1,2（1.中国科学院大学，北京 100190；2.中国科学院光电研究院，北京 100094）摘要：行星气球探测方案是一项正在发展的地外探测技术。本文在基于行星环境的基础上，对行星气球探测优势及应用进行了阐述。介绍了七类具有代表性的行星气球研究计划。接着对不同行星气球参数进行了对比计算，最后对行星探测技术发展进行了概括。关键词：行星探测；行星气球；气球设计；技术发展 1.引言人类对其它星球探索的脚步从未停止，通过飞行器搭载先进载荷仪器探测行星大气、表面以及地下组成及结构，是不断发展的技术。为了在一次探测任务中尽可能多收集行星环境数据，对运载工具提出了长航时，探测范围大以及低能耗的要求。气球属于作为利用轻于大气环境密度的气体来飞行的浮空器，具有飞行时间长，跟随大气运动及不需要燃料的特点。气球在地球上已经运用在许多方面，比如早期对地球高层大气环境的认识大多来自于探空气球获得的数据。同样，气球在行星环境探测方面也具有独特的优势。在太阳系中，有大气环境的星体可分为类地行星和类木行星。类地行星包括金星，火星，泰坦星(土卫六，土星的卫星，为叙述方便，本文中将泰坦星与其它类地行星一起比较)等。类木行星则包括土星，木星，海王星以及天王星。目前唯一一次在其他星球使用气球进行探测是在1985年，由前苏联牵头组织发射了搭载Vega-1和Vega-2金星气球的Venus-Halley探测器，探测计划成功完成预定任务[1]。目前对火星气球技术的研究较为丰富，对泰坦星气球的研究计划业已启动。本文首先总结了各行星已知的大气环境参数，对气球设计提出了环境约束。接着阐述了气球在行星探测任务中的优势及应用。然后罗列了七类具有代表性的行星气球研究计划。接着，在气球设计上将地外行星气球与地球气球进行了对比，突出大气环境对于气球设计的影响。最后对行星气球技术的发展方向进行了归纳。2.地外行星大气环境各行星大气层环境并不相同，各有其特点。影响气球设计的参数包括行星引力、大气组成成分、大气密度、环境压强及温度等。气球运动依靠大气流动，风速及风向也是考虑的因素。如果气球设计在低空飞行，还需要考虑行星地质条件，如地表山峰高度。长航时气球需要经受昼夜温差改变带来的影响，因此昼夜温差也是气球飞行的影响参数。根据NASA发布的由卡西尼及惠更斯探测器测得的各类地行星大气数据［2]总结如表1及图1至图3。表1 行星环境对比地球金星火星泰坦重力加速度g0.9g0.4g0.14g大气组成N2,O2CO2CO2N2气球可充气体H2/HeH2/He/CH4/NH3/H20H2/HeH2/He金星与地球大小相当，表面温室效应严重，温度高，45-70km高度具有浓密的云层。金星上盛行东风，风速从地表随高度逐渐增加，云层顶部达到100m/s。这样的风速能够在4-5天内环绕金星表面，比金星自转速度高60倍，被称为金星大气“超旋转”现象。火星半径只有地球的一半，大气环境与地球的平流层环境相当。因此，目前许多火星研究项目选择在地球平流层区域进行模拟。火星表面较为干燥，夏季盛行东风，冬季及春秋两季盛行西风。环球性的沙尘暴是火星标志性特点。1980年，泰坦星大气层被旅行者号探测器观测到，之后很快提出了泰坦星气球探测方案。泰坦星大气高密度、低温度的特性使得泰坦星气球与地球气球相比有较大不同（图4）[3]。另外，泰坦星也存在“超旋转”现象。

图1 各星体大气压强随高度变化曲线图2 各星体大气温度随高度变化曲线

图3 各星体大气密度随高度变化曲线图4 泰坦星大气环境与地球对比对气球的影响类木行星有着由氢和氦组成的浓密大气层，大气压强达到200多个地球大气压，并且随着大气深度增加而增加。目前对类木行星大气，如大红斑等存在着许多未知，利用气球飞行范围广的特点，也许能够收集到更多的信息。3.行星气球优势及发展3.1 行星气球探测优势及应用行星气球概念很早就被提出，使用行星气球进行探测，能够在离行星表面几公里至几十公里外对行星进行宽范围地探测。气球飞行需要依靠大气流动，气球随风漂流飞行距离远，能实现对行星大面积的探测。并且气球在风中能直接性测量行星大气运动，能提高数据测量的准确性，也能够准确测量行星大气上的风速及风向。对比行星轨道探测器，行星气球能更近距离对行星进行探测，并且几倍于地面探测器探测范围及距离。不同于航空飞行器，气球飞行并不需要动力，能够实现稳定长航时的探测。行星气球能够携带各种载荷仪器对行星环境进行探测。如携带光电载荷从空中大范围高分辨率地对行星表面进行摄像及光谱观测，为行星矿物及地质作用的探测及研究提供详细准确的资料。行星气球还能携带环境传感器对行星气象进行研究，气球漂浮本身就能够反应出大气环境流动。另外，行星磁场能够反映行星内部的活跃程度，利用气球能够对行星进行近距离磁场观测。近年来，火星剩余磁场的发现引起了科学家们探测的兴趣，也许利用气球对剩磁进行探测是可选的方案[1]。并且考虑到气球在行星电离层下飞行，相比卫星探测，能避免电离层对雷达探测的影响。3.2 行星气球研究项目列举人们在认识到了使用气球进行行星探测的优势后，提出了许多行星气球方案。根据所探测行星的具体环境及探测目标，设计了相应的行星气球探测方案。

图5 有引导绳的气球⑴有引导绳的火星气球为了克服低空零压气球受昼夜温度差导致的飞行高度改变而使得气球坠地，不能够长时飞行的问题。英国气球学家Charles Green提出了有引导绳的火星气球方案。当零压气球晚上温度较低，飞行高度下降时，底部悬挂的引导绳落在地面上，减轻气球的负载，使得气球避免坠地。当白天温度升高时，气球重新膨胀，飞行高度上升（图5）。在1836年，Charles Green利用该方法成功使得气球从伦敦飞行到了德国[4]。⑵前苏联VEGA金星气球行星气球在外星球运用的里程碑事件是前苏联成功在1985年6月11日与15日在金星夜半球赤道附近54Km高度投放了Vega1和Vega2号气球（图6）对金星大气进行探测。气球飞行当地环境压力540hPa,当地温度305K。并且气球飞行高度正处于金星“超旋转”带，当地风速100m/s,VEGA气球飞行了两天，总共飞行了11000km，直到携带电池用尽，获取了大量金星探测数据。Vega气球设计为3.5m的圆形超压气球，超压量为30hPa，气球系统总质量21Kg,包括下部携带的6.5Kg探测设备及信号收发设备。气球蒙皮使用尼龙制作，以防止金星大气中浓密的酸雨[5]。

图6 VEGA气球及载荷⑶水蒸气金星气球金星大气层温度及密度较高，使用水蒸气作为气球浮升气体成为可选的方案。水在金星42km以下蒸发成为水蒸气，气球浮升气体增加，气球体积膨胀，浮力增加。42km以上低于蒸发温度，水蒸气液化，气球净浮力降低，气球体积减小，浮力减小。利用水蒸气这一性质，通过阀门控制水液化及气化的量，就能够控制气球上升及下降的速度，使得气球能够在金星上层大气和近表面区域实现较大飞行高度范围的飞行。图7表示了水蒸气气球结构示意图，底部太阳能板提供气球系统所需能量，水从底部水箱由内压调整器析出气化供气球飞行，由气球内壁的吸收层吸收循环利用[1],[6]。

图7 水蒸气气球图8 带控制翼的火星DARE探测方案⑷带有控制翼的火星气球探测方案美国环球航空公司为火星探测提出了DARE（DirectedAerial Robot Explorer）探测方案。DARE使用气球作为长航时气球平台，在气球下方通过缆绳悬挂轨迹控制翼，起到对气球平台进行控制的作用。DARE示意图如图8所示。DARE平台由着陆器下降过程中空中充气释放达到浮重平衡后飞行[7]。⑸泰坦星热气球方案NASA在2007年8月完成对泰坦星科学探测目标及探测方案的确定。目标是探测泰坦星上是否有有机生物体。探测方案使用轨道器到达泰坦星轨道，投放着陆器进入泰坦星大气层，在下降过程中着陆器投放泰坦星热气球在大气层飞行，探测泰坦星环境。设计的热气球直径12m，气球携带载荷25kg顶部开口，热源依靠气球内部的放射性同位素热电发生器供应。相同浮力条件下，泰坦星热气球比地球热气球所需的热量少。泰坦星上辐射系数较小，气球热量耗散也小。NASA提出的从再入飞行器上投放气球示意图如图9，着陆器被超声速降落伞牵引着下降，一定高度后，热气球开始工作，气球膨胀，最后脱离着陆器独立飞行[8]。

图9 NASA泰坦星热气球方案图10  NASA泰坦星飞艇探测方案⑹泰坦星飞艇探测方案NASA Langley研究中心在2005计划了使用飞艇对泰坦星进行探测的方案。飞艇投放至泰坦星大气层方案如图11所示。所设计的飞艇几何尺寸如图11所示。前后设计有两个副气囊，底部吊舱左右安装有螺旋桨用于推进[9]。

图11  NASA泰坦星飞艇图12  木星气球探测方案⑺木星气球探测方案美国JPL喷气推进实验室提出了使用行星气球对木星深层大气探测的IRMA（Jupiter internal radiated MontgolfiereAerobot）方案（图12）。IRMA使用红外气球，在进入木星大气层80km处抛探测器探测木星深层大气。探测器数据经过气球信息传输中继平台传输至轨道器[6]。4行星零压气球参数对比气球发展历史较长，气球学家设计出了各种球形，如正圆形、圆柱形、四面体形以及自然形。气球上升是体积逐渐增大，零压点逐渐下移的过程，自然形气球考虑了气球球体高度引起的内外差变化，能够保证在气球部分膨胀与完全膨胀时都只有经向方向受力，周向分向不受力的特性，形状类似水滴形[10]。本文以自然形零压气球为例，分析了不同行星环境（压强、密度及温度）对气球参数（体积、表面积及球体高度）的影响。假设气球携带载荷100kg，飞行高度范围0至30km，并且忽略不同行星环境对球膜材料的要求，认为球膜采用同一种材料。计算结果如图13至16。图13表示了不同星球上飞行高度离地30km高度，携带100kg载荷时的零压气球外形，图中气球大小相差巨大，气球从大到小依次为火星气球、地球气球、泰坦星气球、金星气球。对比从图14至16气球参数变化曲线可以得出，在0至30km大气范围内，地球、金星、火星及泰坦星气球参数都随高度逐渐增大。由于火星大气稀薄，携带相同载荷所需的气球体积较大，金星大气密度最浓密，气球体积最小，泰坦星气球与地球气球最为相似，单从大气数据而言，在金星上放气球最具有优越性。零压气球底部有排气管与大气相通，底部内外压差为0，在昼夜温度差影响下，夜晚气球体积缩小，浮力减少，气球飞行高度降低。超压气球内部压强院大于大气环境的压强，能够抵消由于昼夜温差带来的内外压差变化，使气球仍然完全膨胀，体积不发生变化，保持恒定的飞行高度。金星由于大气层浓密，温室效应严重，自转速度慢于大气运动速度，使得金星上几乎不存在昼夜温差的变化，可不考虑金星气球超压量的变化。而火星由于大气密度稀薄，白天温度可达到20℃，晚上温度急剧下降至-80℃，昼夜温差较大，对气球超压量、形状、体积及气球飞行高度有着较大的影响。

图13 各行星气球球形母线对比（含局部放大图）图14  各行星气球体积对比

图15  各行星气球表面积对比图16  各行星气球球体高度对比5行星气球技术发展分析行星气球已经有几十年的发展过程，目前主要由NASA的JPL喷气推进实验室主导[1]。综合各类行星气球探测任务，可以将其从气球设计，以及任务设计中的进入行星大气到探测飞行过程技术总结如下。（1）行星气球设计气球是利用低于行星大气密度的气体浮升飞行。地外行星大气成分及环境与地球大气层有着较大的差异，使得行星气球与地球气球在设计上有很大不同，包括所选用的气球种类、浮升气体、气球形状、球膜材料、充气放气设备以及与底部载荷的连接等，尤其需要关注行星气球的球膜材料。气球在外行星飞行，要求气球球膜材料能够抵抗大气环境的腐蚀，高温及大气中粒子对气球球膜的高速撞击。另外，气球往往需要在空中下落过程中充气，此时气球形状不规则，下降速度较快，在风致振动作用下对球膜的强度有着要求。并且气球在长航时任务要求下，由于球膜材料对内部浮升气体的泄露导致净浮力降低，对于气球探测任务有着影响。气球学家们考虑过多种材料作为气球球膜，包括尼龙、金属等。（2）气球进入大气层过程对于在空中充气飞行的行星气球，在进入行星大气层时是折叠存放在圆锥体里，圆锥体底面朝下，锥面朝上，由内置滑块调整圆锥体的行心来控制进入大气层的角度，使得圆锥体能够以正确的方向，正确的路径进入大气层，以保证在预定探测坐标点对行星气球进行探测。在降落至一定高度，底部防热罩在弹簧作用下偏心向一边以3m/s相对速度弹开，气球开始在高速降落过程中充气。最后气球与圆锥体分离，达到浮重平衡，开始行星探测任务。其间，由于与地球通信的延迟，整个气球探测器再入过程需要实现自主控制，对整个系统的可靠性有着很高的要求。（3）气球任务设计行星气球需具备长时稳定可靠工作的功能，在行星具体环境的影响下，对气球所携带的探测载荷、气球飞行轨迹，飞行高度及寿命等需要进行详细的设计。另外，探测气球还需与行星其它探测器协同工作，共同实现对目标的探测。6总结行星探测任务是在既定科学目标的指引下对行星进行有步骤详细准确的探测。探测行星按照飞掠、环绕、着陆及巡视逐步进行。行星气球探测技术则是在行星巡视探测中运用，是行星探测方案中的有效补充。本文首先介绍了行星的大气环境，在此基础上对行星气球探测方案的优势及功能进行了阐述。接着整理介绍了几类具有代表性的行星气球探测方案，气球种类涉及到零压气球、超压气球、水蒸气气球、热气球及飞艇等。体现了具体行星大气环境及探测任务对气球设计有着决定性的影响。之后按照零压气球设计初步计算了不同行星环境下气球参数对比。最后对行星气球探测技术发展作出了一些分析。本文主要对气球行星探测技术进行了介绍，对相关技术人员起着参考性的作用。参考文献 （略）