PIPER任务飞行成功，受天气困扰的NASA萨姆纳堡气球发放季终于结束
来自美国新墨西哥州萨姆纳堡的消息：2017年将作为特别的一年被记入NASA科学气球项目的年鉴，原因不是别的，正是这一年的问题频出。继5月份EUSO超压气球消失在太平洋、6月份BETTII望远镜任务以意外坠毁事故而告终之后，每年在萨姆纳堡开展的秋季飞行季在经历了多年来最恶劣的天气条件后，仅完成了预计七次飞行中的两次就结束了。
在9月4日面向HASP（高空气球学生实验平台）的第一个气球任务完成之后的一个多月里，气象条件一直无法满足第二次飞行的需求。直到10月13日，搭载PIPER设备的气球才终于（划重点）升空了。
相信我，上面这个重点词可不是打错了，因为自2016年以来，NASA在美国本土的每次气球发放季都有PIPER在排队。
那么你可能要问了，到底什么是PIPER？
PIPER其实是“原初暴胀极化探测器”（Primordial Inflation Polarization Explorer）的首字母缩写。该装置由NASA戈达德航天中心与约翰霍普金斯大学、美国国家标准与技术研究院、加拿大不列颠哥伦比亚大学以及威尔士卡迪夫大学联合设计和制造。
该装置的作用是寻找所谓“宇宙暴胀”理论的证据。该理论认为，早期宇宙的扩张速度比光速还要快得多，并在宇宙大爆炸后几乎瞬间呈指数增长。这个过程会产生引力波，即时空结构中的小型扰动。这些波将在宇宙背景辐射（CBR）的极化过程中留下痕迹，这是宇宙形成之时投射到各个方向的残余光线。这就是戈达德小组的观测对象。
PIPER由两个相同的望远镜组成，这些望远镜被放在杜瓦瓶中冷却至1.5度开尔文的低温。这个桶状的杜瓦瓶是气球任务中使用过的最大的杜瓦瓶之一，其高度可达3米，体积5000升，同时升空时携带3500L的液氦。由于液氦冷却望远镜与外界环境之间没有开口，因此PIPER利用氦气的蒸发阻止气球飞行高度的大气在光学元件上冷凝起雾。后一项技术在几年前另一个球载设备ARCADE上首次使用，其设计者正是今天PIPER的研发团队。
除了沿用以往的技术以外，PIPER还引入了多项创新设计，包括一个采用次网格短波结构（BUG，backshort under grid）、具有前所未有高敏感度的先进测辐射热计探测器阵列；一个由镀铜钨丝制成的可变极化调制器，金属丝像窗户一样只允许偏振光到达探测器；以及一个被称为绝热退磁制冷器的装置，该装置可以擦除装置本身产生的，以便能够检测到极微小的宇宙背景辐射信号。
PIPER团队从2016年秋季就一直在寻找机会开展首次工程飞行。然而在三次发放尝试均告失败后，任务最终取消并推迟至2017年巴勒斯坦夏季飞行季。在BETTII事故之后，任务暂停了数周时间。一直没有等到发放机会之后，团队最终不得不再次转移至萨姆纳堡的2017年秋季飞行季。
9月初本飞行季首次飞行完毕后，PIPER团队抵达萨姆纳堡。在装置确认具备待飞状态后，马上就被排到编号681N飞行任务的最高优先级。由于任务要求必须在夜间进行观测，而NASA的气球发放任务一般都在清晨进行，因为他们需要在平飞高度具备弱风条件以保证气球飞至空域边界（主要是加州和墨西哥边界）时可完成足够时长的飞行。
万事俱备，只欠东风。一切准备就绪以后，只要等到合适的天气就可以发放，然而大自然这次并没有那么慈悲。第一次发放机会直到9月21日才出现，尽管只是满足发放的临界条件。当天，PIPER还没到达发放场地，风速就已增至临界点，最终发放不得不取消。
与此同时，还有其他的装置和任务也在排队，然而他们得等PIPER之后才能发放。具体包括：
·SuperBIT，从2017年巴勒斯坦夏季飞行季一直等到现在，而且也具备待飞状态；
··FIREBALL，一个紫外望远镜，也准备好可以发放；
·JPL-Remote，一个大气科学多载荷平台；
··WASP，一个用于天文观测的稳定平台；
·还有一次针对6000万立方英尺（合170万立方米）高空气球的检定飞行也被排在这个飞行季。
情况从10月5日开始有所改善，两天后PIPER获得了第二次尝试发放的机会。然而在移动至发放场并已经开始把球体从球箱拿出时，地面风速突然增加导致飞行再次取消。10月10日下午又出现了一次机会，于是PIPER再次被拉到发放场，气球出箱并铺开后，就开始了漫长的等待。然而这次尝试最终还是因为阵风而取消了。
随着飞行季结束时间逼近，三个飞行任务最终从排队名单中去除，包括JPL Remote、6000万立方英尺高空气球、FIREBALL紫外望远镜任务。最后一个装置将存放在萨姆纳堡等待2018年的飞行而不是运回法国。（注意：在PIPER飞行几天之后，曾有一次发放SuperBit的尝试，但是却又取消了。）
本次飞行季的最后一次尝试发放是在10月13日进行的，但这次天气情况好了一些，飞行操作可以按预定流程开展。
气球在国际标准时间（UTC）14:30在发放场铺开，经过紧张的等待，最终在15:00正式开始充气。这个110万立方英尺（合30万立方米）气球充气操作进行了近一个小时才全部完成。10月13日16:12，PIPER发放升空，终于开始进行这次万众期待的工程任务。
爬升过程一切正常，气球于19:30抵达海拔98000英尺（合30千米）的高度，飞到新墨西哥州图克姆卡里的东部。气球在整个飞行过程中都沿着新墨西哥州和德州边界向东北方向飞行（见下方地图标示）。
飞行于10月14日凌晨3:00结束，此时已抵达至新墨西哥州东北部的联合县上空。从发放到最终着陆，整个飞行时间持续了11小时30分钟。
感谢PIPER的首席设计师与任务主管Paul Mirel向我提供的信息，极化可变调制器就是由他亲自设计的。据悉载荷最终着陆时情况不是很好，因为吊舱落地时有一个每小时40英里的侧向速度并出现了翻滚，底部先着地后又在地上翻滚了一圈。不过设备防护得很到位，外形基本没有受损。
根据Mirel团队的说法，他们对这次飞行结果非常满意，首次工程飞行的大部分目标都已成功完成。目前他们正在开展数据评估与分析工作，同时准备后续的飞行。下次飞行计划于2018年在德州的巴勒斯坦开展，飞行中PIPER计划搭载科学级的探测器阵列。
要了解更多有关PIPER及其背后的科学知识，可以移步戈达德计划的官方网站（https://asd.gsfc.nasa.gov/piper/），上面有更专业的文章，题为“The Primordial Inflation Polarization Explorer (PIPER)”。文章可在ArVix或者他们的博客上找到。