NASA火星超压气球之临近空间投放飞行试验

　　本期接着上期和上上期内容，继续分享火星超压气球相关文章。前两期分别对气球设计，制造和形状求解进行了分析，本期介绍NASA实际开展的4次火星超压气球系统样机在临近空间高度进行的投放充气试验。参考NASA/Jet喷气实验室2009年在华盛顿州西雅图市举办的AIAA科学气球学术会议上发表的一篇文章，文章题目为＂Mars Balloon Flight Test Results＂。以下对这几次飞行试验逐一叙述。
　　这4次飞行试验由NASA/JPL，NASA Wallops飞行局，临近空间公司的团队共同开展。试验重点验证超压气球由折叠状态在空中释放展开及充气过程。由于火星气球球膜采用轻质薄膜材料，不太容易能够抵抗住空中展开和充气过程带来的破坏。投放试验在地球临近空间30+km高度开展，这里能够较好模拟火星表面的低密度（0.02kg/m3）和低温（226K）条件。试验结果突出表现了使用较大尺寸降落伞的必要性，以减小气球承受的动压（减小至5Pa左右）以及使用撕裂编织带（ripstitch，通过拉扯缝制好对折了的布条带并拉断缝线来消除冲击能量）来减小过载冲击。
　　4次飞行试验包括3次正圆形超压气球和1次南瓜形超压气球。试验用的正圆形超压气球直径为12m，使用12.7微米厚聚酯薄膜（Mylar）制作。南瓜形超压气球体积为660m3，加强带为Zylon纤维材料，球膜为15微米的共挤聚乙烯薄膜。加强带可以提供足够的强度来承受气球释放展开和充气中的过载。两种超压气球的球形参数如表1所示。
　　虽然地球30+km高空和火星环境相似，但由于地球重力加速度（9.8m/s2）大于火星表面重力加速度（3.7m/s2），所以这种投放试验也许比火星真实投放过程有更快的飞行速度和更大的过载冲击，投放条件更为严苛。投放过程执行动作序列如图1所示。
　　图1 投放过程执行动作序列
　　火星超压气球系统原型样机由携带气球挂载至试验高度。气球由折叠状态开始拉直展开是在与携带气球分离并且在降落伞吊挂下达到与火星再入相同动压条件下进行。氦气充入过程持续150s。在215s时由火工品切断降落伞四根悬挂线中的一根。这样做是为了让降落伞几何不对称，以在下降过程中有横向漂移运动。横向运动能够确保降落伞在之后切割分离后下落过程中不会砸到火星超压气球。氦气储存罐与降落伞近乎同时切割分离。之后火星超压气球自由飞行，高度上升至设计升限高度。
　　4次飞行试验都是在美国夏威夷州Ocean View进行。表2列出了四次飞行信息。
　　图2为即将发放的STRA-15超压气球地面发放状态。图2中蓝色泡沫塑料盒状结构（最前面的）中装有卷起来的火星超压气球样机，氦气罐，充气管道，接收地面无线电命令的航空电子设备，无线电探空仪，一个向上看的摄像机，信号发射机和轮轨式天线。在泡沫箱子后面铺在地毯上的是一个橙色伞衣的降落伞，最后面是作为临近空间投放平台的主零压聚乙烯膜气球。蓝色泡沫载荷箱只有65kg，能够仅以发放人员手托的方式完成发放。
　　图2 地面发放状态
　　图3是整个投放试验系统结构组成示意图，主要包括三个主要模块（即载荷模块，火星气球和降落伞）。各模块之间使用凯芙拉（Kevlar）绳子相连。整个系统包括4段撕裂编织带（ripstitch）。L1段用于载荷模块；U3段用于上部缆绳切割时冲击过载；U2段用于上部照相机盒，收发器和天线设备防过载；U1段用于在气球拉直展开瞬间增大50m降落伞与气球之间距离用以避免在发放时系统长度过长增加发放难度。气球与降落伞之间较长的连接距离也能减小降落伞受到大气流过气球后旋涡脱落（气球后尾流）带来的影响。所有撕裂编织带都是MIL-W-4088K IV型织带和尼龙缝线制成。并且在撕裂编织带上作出黑色标记以方便摄像机观察编织带是否被拉开。
　　每套飞行系统都有一定数量的传感器用于采集试验数据。一个定制的Sippican Mark IIA无线电探空仪安装在载荷模块以1HZ频率采集大气温度，压力和GPS位置（飞行高度）。此外，该探空仪有3路数据采集通道，包括氦气罐压力，氦气罐温度和球底温度。所有这些数据由Sippican W9000地面站获取并与笔记本电脑连接以显示数据及实现地面操作。无线电探空遥测数据由标称范围为250 km的10 dBd八木天线（引向反射天线）以240mW功率发出。视频图像遥测数据流双色NTSC制式视频下行链路由地面16dBd八木天线四阵列（总增益22dBd）接收。飞行视频发射机为1W到0 dBd的车轮天线，提供约300km的标称无雪花视频链接范围。（这段翻译的很吃力~）
　　关于这套系统的执行命令无非是打开阀门或者切断绳索。由地面控制中心使用便携式信号发射器进行操作。它通过7.5 dBd八木上行天线发送45 W命令无线电信号，标称范围为650 km。对于STRA-14的命令序列如表3所示。STRA-15命令序列如表4所示。三个阀门用于控制氦气充入。充气管道是一个简单的吹泄系统，从31MPa（4500psi）的氦气罐通过三个平行的固定孔口，每个孔口都与顺序打开的常闭阀门配对。第一个孔直径为0.76mm，提供低4g/s的初始流速，以在气球中形成初始气泡。待气泡起来后，再换成大充气口以保证安全充入氦气。氦气流速由阀2和阀3快速充入，在投放后90s至150s之间完成。表5总结了各套系统三个阀门的直径，峰值流量，流动持续时间和氦气罐压力。
　　STRA-13飞行试验结果
　　STRA-13正圆形超压气球试验在2007年6月27日早上进行。但不幸的是还没有开始投放试验，就在母携带气球带着超压气球系统上升段过程中，就出现了意外。由向下看的摄像机拍摄到载荷模块顶部图像如图4所示。可以看到，尽管超压气球是被卷好放入载荷模块，但其在上层大气低密度环境中由于内部剩余气体而自己膨胀展开了（这也太不幸了）。以至于火星气球最后膨胀到使劲推开了压制它的箱盖，并且最终盖子被撑破了。随着母气球进一步上升，火星气球继续膨胀以至于在投放前就达到了1m直径（图4中大小）。根据之后传回的飞行图像，这个气泡在投放后出箱时被破裂的箱盖边缘给划破了。可以说这次试验没有取得任何有用的数据。
　　图4 STRA-13飞行试验摄影记录
　　STRA-14飞行试验结果
　　STRA-14南瓜形超压气球试验在随后的2007年6月30日早上进行，也就是STRA-13失败后的三天，并且在地面采取了两种手段以避免火星气球内部的残留气体问题。第一种手段是在挠性软管上钻一个直径为0.5 mm的小孔，为软管内的残余气体提供直接通风路径。这个小孔很小以至于在氦气泵入时泄露率远远小于1%。第二种手段是将南瓜形气球放入一个真空实验舱内数小时时间以尽可能抽干气球内部的残留空气。此外还仔细检查了球顶法兰的通风管道是否存在堵塞问题。经过再三确认，工程师们认为这次发放的火星超压气球不会出现堵塞问题，因为超压气球不像之前正圆形气球那样紧密折叠，超压气球折叠后较为松散，并且充气管也没有覆盖住气球顶部法兰结构。在实际开展的飞行试验中，STRA-14也并没有出现残留气体膨胀问题。母气球系统在发放1个半小时后成功上升达到31km高度。
　　本次STRA-14火星南瓜形超压气球试验在之后的空中投放和充气过程既有成功之处，也有失败的地方。南瓜形气球成功投放，没有出现结构破坏。然而在充气展开时，很不巧朝下方看的摄像机坏了，这影响了后续试验结果的判断。很可能是投放拉直时的冲击过载机械破坏了连接摄像机与其支撑结构的粘合接头。之后的充气展开等试验科目只能依靠向上看的摄像头获取图像了。
　　图5展示了6副超压气球空中充气过程的摄影记录。可以说所有的作动器和分离设备都正常按照预定计划工作。氦气罐压力监测表明氦气在预计90s时间内成功充入了气球中。但是，从图像中仍然可以清晰地看到气球球膜在充气过程中多处出现撕裂。第一处撕裂在开始充气后20s时刻，也就是最大充气流速时候出现（C图）。这可能是因为充气软管在最大充气速率时出现剧烈摇晃，出现类似降落伞充气展开时伞绳常出现的鞭打行为。软管多次拍击气球球膜，造成了球膜多处破坏。有趣的是，本身使用这种多孔充气管就是为了避免氦气直接冲击球膜带来损坏，而试验却表面充气管抽打才是破坏球膜的直接原因（果然实践出真知）。尽管球膜被破坏，超压气球仍然最后基本上实现完全充满，看起来就像没有损坏一样完整（d图）。之后的降落伞和氦气罐等载荷分离也是成功开展（e图和f图）。但又没有想到的是，在分离过程中，本应跟着超压气球进一步上升飞行的航电设备随着氦气罐等载荷一起被抛掉分离了，这使得之后超压气球基本是盲飞状态，地面操控中心没有收到之后任何有用的数据（很泄劲）。另外，让人欣慰的是，从图像中看到在降落伞剪短其中一根伞绳后，降落伞-气球系统出现横向漂移，降落伞在之后下降后也没有砸到超压气球（图f）。
　　图5a t=0s, 开始充气展开前。展开的降落伞和拉直的气球球膜。下方白色充气软管清晰看见
　　图5b 充气展开10s后，在第二个充气阀打开，即出现高速充气之前
　　图5c t=22.5s。观察到气球被抽打的软管破坏了。
　　时间是第三个阀门开启之前
　　图5d t=42.2s。尽管气球出现破裂，但还是充满了。可以透过气球看到上方橘色的降落伞以及球底橘色的充气管。
　　图5e t=91.0s。时间刚好为降落伞和下部氦气罐等载荷分离时刻。
　　图5f t=93.9s。观察到气球和降落伞飞行轨迹出现横向漂移
　　关于本次STRA-14火星南瓜形超压气球飞行试验的总结，一致认为使用了最大充气速率69g/s的又长又薄的内部充气管导致充气管抽打行为，使得气球球膜被破坏。之后工程师将最大充气速率设计调小至48g/s。总的来说，本次试验取得了相当多的有效数据，各项操作科目也是相对顺利完成。另外，从试验中观察到大家很关心的气球充气过程中的流固耦合气弹行为似乎并不强烈，气球展开还算是温和，说明低动压环境（5Pa）对于火星气球再入充气过程是可以接受的。气球展开温和的表现也说明也许并不那么急着将氦气充入气球中，可以采用低流速且延长充气时间来使得整个系统更加稳定。
　　STRA-15飞行试验结果
　　STRA-15正圆形超压气球试验在第二年，也就是2008年的6月14日早上进行（提前剧透，本次试验很不幸又失败了。各位看官请继续往下读）。在地面发放后，母气球成功达到30km升限高度，顺利地没有出现之前内部残留气体膨胀问题。气球顶部阀门在整个上升过程保持打开。并且在投放拉直时受到瞬时冲击力作用而机械关闭以开展之后的充气动作。一个定制的止回阀安装在气球底部以使得内部残留气体可以在上升时排入平流层大气中，并且在之后氦气充入时能自动关闭。顶部的闭合阀门和底部的止回阀联合工作以保证上升过程残留气体的排出和充气时氦气的气密密封。
　　在2008年这次试验中，对内部的多孔充气管也进行了改进。新设计的充气管不再是一个又薄又长的圆管，而是由一个有着顶部平面缝合的锥形充气管（图6所示）。在真空舱中设置50g/s充气流速对该锥形充气管进行测试以观察是否仍会出现2007年超压气球那次的抽打行为。实验结果表明该锥形充气管非常稳定，能够满足设计要求，起到氦气充入时的扩散作用。之后将该新型锥形充气管运用在了STRA-15火星正圆形超压气球中。
　　图6 新型锥形充气管在实验室低压环境充气流动测试
　　但不幸的是，STRA-15正圆形气球在空中投放阶段就出现了灾难性的破坏，后面的充气阶段并没有实现，整次试验也没有获得任何有用的数据。气球结构在顶部双层头处撕裂。图7记录了该火星气球破坏瞬间。可以清晰看到气球破坏了的边缘。之后的飞行图像记录可以看到碎了的气球球膜分布在双层头球膜周围，气球整体破坏出两半，包括还与球顶和球底结构相连的残留球膜。
　　图7 STRA-15空中投放时就出现的灾难性破坏图像
　　这种结构性的破坏自从2001年第一次10m正圆形气球飞行试验就没有出现过。在那次（2001）之后，工程师们采用了新型撕裂编织带和加强了的双层头结构似乎就早已解决了空中投放拉直时带来的瞬时过载。对STRA-15之后的数据分析也没有准确指出具体破坏的原因，但经过讨论，仍然归纳出一些建设性的结论。第一点是这次STRA-15气球直径为12m，比2001年那次的10m气球要大些。更大的气球会产生更大的拉直过载，因为更大的质量表示更多的重力势能转化为动能，使得拉直时转化成更多的应变能。第二点结论可以从图7中看出，图中左上部气球的球顶与图像中间位置球底表示气球实际上形成了一个弧形的形状。虽然工程师们认为并没有对气球施加横向作用力，但气球球顶就是发生了横向位移。在图7记录时刻之前的摄像记录也证实气球之前确实是竖直状态，并没有横向运动或者是受到横向风载。这个诡异的横向位移一定是和气球球副受到了不平衡的应力加载有关，也就是弧线外侧的球副受到应力加载，而弧线内侧的球副没有受到应力拉扯。并且仔细观察图7，可以发现弧线外侧的球膜破坏严重，这也许验证了这一猜想。因此，内外侧球副受力不平衡使得仅仅部分球膜被拉扯破坏。这种不寻常的横向移动在之前几次试验中都没有发生。
　　所以，究竟是什么原因导致气球出现了横向位移，仍然不得而知。但可以肯定的是，气球要形成这种弧线形状，是必须要把降落伞伞底到气球球顶之间的距离拉短的。那么就可能是气球在被拉直瞬间产生了形状长度振荡，将降落伞向下拉了一把，这就使得气球不可避免要出现横向位移，形成了弧形。这就像生活中的吉他弦一样，在快速拉动琴弦，然后出现垂直于弦的方向振动。通过观察之前的STRA-11飞行试验，可以发现降落伞确实被拉回了一点。这也许能解释这个横向位移。
　　不管怎样，这次的试验结果很打击人，气球顶部横向位移的出现带来高应力分布是个很糟糕的结果，这让人不得不质疑气球空中投放展开技术的可行性了。也就是说正圆形气球设计还没有足够的安全裕量。而且也没有获得STRA-15直接视频证据来证明所使用的几个撕裂编织带真正起到了缓解冲击的作用，也许它根本就对这种特殊条件不起作用呢？这次试验似乎预示着进一步减小气球空中投放下降速度是再好不过了，以减小拉直展开时带来的过载。也许在火星探路者和火星探测车着陆任务中广泛使用的下降速度限制器（Descent Rate Limiter，DRL）可以运用到火星气球空中投放试验中吧。
　　最终，气球结构的破坏结束了STRA-15飞行试验，仍然没有获得任何有价值的充气或者是分离时刻的数据（技术发展的艰辛历程可见一斑）。
　　GRND-1飞行试验结果
　　当然，此次JPL-Wallops-NSC火星气球项目一个先验共识是在气球空中投放，充气展开，切割及高度爬升后，能够进入稳定，长航时的可靠飞行。因此，他们开展了一次直接从地面发放火星气球飞行试验，即GRND-1号试验，以验证最基本的该火星气球是否能正常平飞。当然，这次试验就单纯假设气球没有受到空中投放或者充气展开时的结构损坏，是一个结构良好的飞行状态。GRND-1试验在2008年6月11日早上开展，也就是打击人的STRA-15飞行试验前三天左右。该火星气球是一个12m直径的正圆形气球，和STRA-15使用的气球一样。所携带的负载包括一个向上看的摄像机，一个用于提供GPS数据的Sippican Mark II无线电探空仪。
　　幸运的是，这次直接从地面起飞的火星气球试验取得了圆满成功。飞行高度在当天中午之前到达30.275km，并且保持高度飞行了8.5个小时，高度波动范围为75m。图8展示地面发放后的摄影记录。图9展示气球在平流层升限高度时平飞状态。图10为飞行GPS高度记录曲线。气球内部充入氦气质量为2.509kg，地面发放是自由浮力为14%，升限高度正午时分超压量为260Pa。根据薄膜圆球理论，最大承受压差为820Pa。因此，安全因子为3.1。夜晚超压量为180Pa。
　　图8 GRND-1号火星气球发放后飞行图像
　　图9 GRND-1在30.275km平飞高度时的状态
　　图10 GRND-1飞行高度记录曲线
　　总的来说，这次试验说明正圆形超压气球表现良好，当然不可否认的是，得假设在空中投放展开和充气膨胀时结构没有损伤。
　　本文的四次火星超压气球飞行试验介绍就到这里。小编能感受到这种技术性文章的精彩之处和独特趣味，并且感受到技术发展的不容易，实践中总是出人意外，但总归是得慢慢发展的。用一句古诗词形容就是＂暗中过尽石髓滑，惊喜观阙朝霞明＂吧。