（1.中國科學院大學，北京 100190；2.中國科學院光電研究院，北京 100094）摘要：行星氣球探測方案是一項正在發展的地外探測技術。本文在基于行星環境的基礎上，對行星氣球探測優勢及應用進行了闡述。介紹了七類具有代表性的行星氣球研究計劃。接著對不同行星氣球參數進行了對比計算，最后對行星探測技術發展進行了概括。人類對其它星球探索的腳步從未停止，通過飛行器搭載先進載荷儀器探測行星大氣、表面以及地下組成及結構，是不斷發展的技術。為了在一次探測任務中盡可能多收集行星環境數據，對運載工具提出了長航時，探測范圍大以及低能耗的要求。氣球屬于作為利用輕于大氣環境密度的氣體來飛行的浮空器，具有飛行時間長，跟隨大氣運動及不需要燃料的特點。氣球在地球上已經運用在許多方面，比如早期對地球高層大氣環境的認識大多來自于探空氣球獲得的數據。同樣，氣球在行星環境探測方面也具有獨特的優勢。在太陽系中，有大氣環境的星體可分為類地行星和類木行星。類地行星包括金星，火星，泰坦星(土衛六，土星的衛星，為敘述方便，本文中將泰坦星與其它類地行星一起比較)等。類木行星則包括土星，木星，海王星以及天王星。目前唯一一次在其他星球使用氣球進行探測是在1985年，由前蘇聯牽頭組織發射了搭載Vega-1和Vega-2金星氣球的Venus-Halley探測器，探測計劃成功完成預定任務[1]。目前對火星氣球技術的研究較為豐富，對泰坦星氣球的研究計劃業已啟動。本文首先總結了各行星已知的大氣環境參數，對氣球設計提出了環境約束。接著闡述了氣球在行星探測任務中的優勢及應用。然后羅列了七類具有代表性的行星氣球研究計劃。接著，在氣球設計上將地外行星氣球與地球氣球進行了對比，突出大氣環境對于氣球設計的影響。最后對行星氣球技術的發展方向進行了歸納。各行星大氣層環境并不相同，各有其特點。影響氣球設計的參數包括行星引力、大氣組成成分、大氣密度、環境壓強及溫度等。氣球運動依靠大氣流動，風速及風向也是考慮的因素。如果氣球設計在低空飛行，還需要考慮行星地質條件，如地表山峰高度。長航時氣球需要經受晝夜溫差改變帶來的影響，因此晝夜溫差也是氣球飛行的影響參數。根據NASA發布的由卡西尼及惠更斯探測器測得的各類地行星大氣數據［2]總結如表1及圖1至圖3。金星與地球大小相當，表面溫室效應嚴重，溫度高，45-70km高度具有濃密的云層。金星上盛行東風，風速從地表隨高度逐漸增加，云層頂部達到100m/s。這樣的風速能夠在4-5天內環繞金星表面，比金星自轉速度高60倍，被稱為金星大氣“超旋轉”現象。火星半徑只有地球的一半，大氣環境與地球的平流層環境相當。因此，目前許多火星研究項目選擇在地球平流層區域進行模擬。火星表面較為干燥，夏季盛行東風，冬季及春秋兩季盛行西風。環球性的沙塵暴是火星標志性特點。1980年，泰坦星大氣層被旅行者號探測器觀測到，之后很快提出了泰坦星氣球探測方案。泰坦星大氣高密度、低溫度的特性使得泰坦星氣球與地球氣球相比有較大不同（圖4）[3]。另外，泰坦星也存在“超旋轉”現象。類木行星有著由氫和氦組成的濃密大氣層，大氣壓強達到200多個地球大氣壓，并且隨著大氣深度增加而增加。目前對類木行星大氣，如大紅斑等存在著許多未知，利用氣球飛行范圍廣的特點，也許能夠收集到更多的信息。行星氣球概念很早就被提出，使用行星氣球進行探測，能夠在離行星表面幾公里至幾十公里外對行星進行寬范圍地探測。氣球飛行需要依靠大氣流動，氣球隨風漂流飛行距離遠，能實現對行星大面積的探測。并且氣球在風中能直接性測量行星大氣運動，能提高數據測量的準確性，也能夠準確測量行星大氣上的風速及風向。對比行星軌道探測器，行星氣球能更近距離對行星進行探測，并且幾倍于地面探測器探測范圍及距離。不同于航空飛行器，氣球飛行并不需要動力，能夠實現穩定長航時的探測。行星氣球能夠攜帶各種載荷儀器對行星環境進行探測。如攜帶光電載荷從空中大范圍高分辨率地對行星表面進行攝像及光譜觀測，為行星礦物及地質作用的探測及研究提供詳細準確的資料。行星氣球還能攜帶環境傳感器對行星氣象進行研究，氣球漂浮本身就能夠反應出大氣環境流動。另外，行星磁場能夠反映行星內部的活躍程度，利用氣球能夠對行星進行近距離磁場觀測。近年來，火星剩余磁場的發現引起了科學家們探測的興趣，也許利用氣球對剩磁進行探測是可選的方案[1]。并且考慮到氣球在行星電離層下飛行，相比衛星探測，能避免電離層對雷達探測的影響。人們在認識到了使用氣球進行行星探測的優勢后，提出了許多行星氣球方案。根據所探測行星的具體環境及探測目標，設計了相應的行星氣球探測方案。為了克服低空零壓氣球受晝夜溫度差導致的飛行高度改變而使得氣球墜地，不能夠長時飛行的問題。英國氣球學家Charles Green提出了有引導繩的火星氣球方案。當零壓氣球晚上溫度較低，飛行高度下降時，底部懸掛的引導繩落在地面上，減輕氣球的負載，使得氣球避免墜地。當白天溫度升高時，氣球重新膨脹，飛行高度上升（圖5）。在1836年，Charles Green利用該方法成功使得氣球從倫敦飛行到了德國[4]。行星氣球在外星球運用的里程碑事件是前蘇聯成功在1985年6月11日與15日在金星夜半球赤道附近54Km高度投放了Vega1和Vega2號氣球（圖6）對金星大氣進行探測。氣球飛行當地環境壓力540hPa,當地溫度305K。并且氣球飛行高度正處于金星“超旋轉”帶，當地風速100m/s,VEGA氣球飛行了兩天，總共飛行了11000km，直到攜帶電池用盡，獲取了大量金星探測數據。Vega氣球設計為3.5m的圓形超壓氣球，超壓量為30hPa，氣球系統總質量21Kg,包括下部攜帶的6.5Kg探測設備及信號收發設備。氣球蒙皮使用尼龍制作，以防止金星大氣中濃密的酸雨[5]。金星大氣層溫度及密度較高，使用水蒸氣作為氣球浮升氣體成為可選的方案。水在金星42km以下蒸發成為水蒸氣，氣球浮升氣體增加，氣球體積膨脹，浮力增加。42km以上低于蒸發溫度，水蒸氣液化，氣球凈浮力降低，氣球體積減小，浮力減小。利用水蒸氣這一性質，通過閥門控制水液化及氣化的量，就能夠控制氣球上升及下降的速度，使得氣球能夠在金星上層大氣和近表面區域實現較大飛行高度范圍的飛行。圖7表示了水蒸氣氣球結構示意圖，底部太陽能板提供氣球系統所需能量，水從底部水箱由內壓調整器析出氣化供氣球飛行，由氣球內壁的吸收層吸收循環利用[1],[6]。美國環球航空公司為火星探測提出了DARE（DirectedAerial Robot Explorer）探測方案。DARE使用氣球作為長航時氣球平臺，在氣球下方通過纜繩懸掛軌跡控制翼，起到對氣球平臺進行控制的作用。DARE示意圖如圖8所示。DARE平臺由著陸器下降過程中空中充氣釋放達到浮重平衡后飛行[7]。NASA在2007年8月完成對泰坦星科學探測目標及探測方案的確定。目標是探測泰坦星上是否有有機生物體。探測方案使用軌道器到達泰坦星軌道，投放著陸器進入泰坦星大氣層，在下降過程中著陸器投放泰坦星熱氣球在大氣層飛行，探測泰坦星環境。設計的熱氣球直徑12m，氣球攜帶載荷25kg頂部開口，熱源依靠氣球內部的放射性同位素熱電發生器供應。相同浮力條件下，泰坦星熱氣球比地球熱氣球所需的熱量少。泰坦星上輻射系數較小，氣球熱量耗散也小。NASA提出的從再入飛行器上投放氣球示意圖如圖9，著陸器被超聲速降落傘牽引著下降，一定高度后，熱氣球開始工作，氣球膨脹，最后脫離著陸器獨立飛行[8]。NASA Langley研究中心在2005計劃了使用飛艇對泰坦星進行探測的方案。飛艇投放至泰坦星大氣層方案如圖11所示。所設計的飛艇幾何尺寸如圖11所示。前后設計有兩個副氣囊，底部吊艙左右安裝有螺旋槳用于推進[9]。美國JPL噴氣推進實驗室提出了使用行星氣球對木星深層大氣探測的IRMA（Jupiter internal radiated MontgolfiereAerobot）方案（圖12）。IRMA使用紅外氣球，在進入木星大氣層80km處拋探測器探測木星深層大氣。探測器數據經過氣球信息傳輸中繼平臺傳輸至軌道器[6]。氣球發展歷史較長，氣球學家設計出了各種球形，如正圓形、圓柱形、四面體形以及自然形。氣球上升是體積逐漸增大，零壓點逐漸下移的過程，自然形氣球考慮了氣球球體高度引起的內外差變化，能夠保證在氣球部分膨脹與完全膨脹時都只有經向方向受力，周向分向不受力的特性，形狀類似水滴形[10]。本文以自然形零壓氣球為例，分析了不同行星環境（壓強、密度及溫度）對氣球參數（體積、表面積及球體高度）的影響。假設氣球攜帶載荷100kg，飛行高度范圍0至30km，并且忽略不同行星環境對球膜材料的要求，認為球膜采用同一種材料。計算結果如圖13至16。圖13表示了不同星球上飛行高度離地30km高度，攜帶100kg載荷時的零壓氣球外形，圖中氣球大小相差巨大，氣球從大到小依次為火星氣球、地球氣球、泰坦星氣球、金星氣球。對比從圖14至16氣球參數變化曲線可以得出，在0至30km大氣范圍內，地球、金星、火星及泰坦星氣球參數都隨高度逐漸增大。由于火星大氣稀薄，攜帶相同載荷所需的氣球體積較大，金星大氣密度最濃密，氣球體積最小，泰坦星氣球與地球氣球最為相似，單從大氣數據而言，在金星上放氣球最具有優越性。零壓氣球底部有排氣管與大氣相通，底部內外壓差為0，在晝夜溫度差影響下，夜晚氣球體積縮小，浮力減少，氣球飛行高度降低。超壓氣球內部壓強院大于大氣環境的壓強，能夠抵消由于晝夜溫差帶來的內外壓差變化，使氣球仍然完全膨脹，體積不發生變化，保持恒定的飛行高度。金星由于大氣層濃密，溫室效應嚴重，自轉速度慢于大氣運動速度，使得金星上幾乎不存在晝夜溫差的變化，可不考慮金星氣球超壓量的變化。而火星由于大氣密度稀薄，白天溫度可達到20℃，晚上溫度急劇下降至-80℃，晝夜溫差較大，對氣球超壓量、形狀、體積及氣球飛行高度有著較大的影響。行星氣球已經有幾十年的發展過程，目前主要由NASA的JPL噴氣推進實驗室主導[1]。綜合各類行星氣球探測任務，可以將其從氣球設計，以及任務設計中的進入行星大氣到探測飛行過程技術總結如下。氣球是利用低于行星大氣密度的氣體浮升飛行。地外行星大氣成分及環境與地球大氣層有著較大的差異，使得行星氣球與地球氣球在設計上有很大不同，包括所選用的氣球種類、浮升氣體、氣球形狀、球膜材料、充氣放氣設備以及與底部載荷的連接等，尤其需要關注行星氣球的球膜材料。氣球在外行星飛行，要求氣球球膜材料能夠抵抗大氣環境的腐蝕，高溫及大氣中粒子對氣球球膜的高速撞擊。另外，氣球往往需要在空中下落過程中充氣，此時氣球形狀不規則，下降速度較快，在風致振動作用下對球膜的強度有著要求。并且氣球在長航時任務要求下，由于球膜材料對內部浮升氣體的泄露導致凈浮力降低，對于氣球探測任務有著影響。氣球學家們考慮過多種材料作為氣球球膜，包括尼龍、金屬等。對于在空中充氣飛行的行星氣球，在進入行星大氣層時是折疊存放在圓錐體里，圓錐體底面朝下，錐面朝上，由內置滑塊調整圓錐體的行心來控制進入大氣層的角度，使得圓錐體能夠以正確的方向，正確的路徑進入大氣層，以保證在預定探測坐標點對行星氣球進行探測。在降落至一定高度，底部防熱罩在彈簧作用下偏心向一邊以3m/s相對速度彈開，氣球開始在高速降落過程中充氣。最后氣球與圓錐體分離，達到浮重平衡，開始行星探測任務。其間，由于與地球通信的延遲，整個氣球探測器再入過程需要實現自主控制，對整個系統的可靠性有著很高的要求。行星氣球需具備長時穩定可靠工作的功能，在行星具體環境的影響下，對氣球所攜帶的探測載荷、氣球飛行軌跡，飛行高度及壽命等需要進行詳細的設計。另外，探測氣球還需與行星其它探測器協同工作，共同實現對目標的探測。行星探測任務是在既定科學目標的指引下對行星進行有步驟詳細準確的探測。探測行星按照飛掠、環繞、著陸及巡視逐步進行。行星氣球探測技術則是在行星巡視探測中運用，是行星探測方案中的有效補充。本文首先介紹了行星的大氣環境，在此基礎上對行星氣球探測方案的優勢及功能進行了闡述。接著整理介紹了幾類具有代表性的行星氣球探測方案，氣球種類涉及到零壓氣球、超壓氣球、水蒸氣氣球、熱氣球及飛艇等。體現了具體行星大氣環境及探測任務對氣球設計有著決定性的影響。之后按照零壓氣球設計初步計算了不同行星環境下氣球參數對比。最后對行星氣球探測技術發展作出了一些分析。本文主要對氣球行星探測技術進行了介紹，對相關技術人員起著參考性的作用。
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