看谷歌怎樣一步步玩票做氣球

黃宛寧

谷歌的LOON項目志在建立一個覆蓋全球的環狀連接網絡，為偏遠地區提供互聯網接入服務。2013年谷歌首次對外公布該項目，時至今日，已初具規模，與多個國家達成了合作意向。

LOON最早的測試始于2011年，使用了一個氣象氣球及現成的最基本的無線電發射裝置。團隊后來開始制作非常大的氣球以期能夠攜帶足夠的設備，保證20千米高空與地面的通信連接，這是他們最初較大的“信天翁”版本的雛形；其后他們又制作了141英尺長的“鷹”版。為了保證頭頂始終有氣球提供聯網，他們需要建立一個系統可以大規模制造這種氣球，在這個思想的指導下，設計了最后的“夜鶯”版本，這是一種前所未有的設計。

現在他們揭秘了相關的檔案，從最原始的氣球到最新的批量設計，看看他們在開發氣球的過程中是如何面對這些挑戰的。

代號“翼龍”，這些氣球絕對是該項目中恐龍級的選手了，僅僅是從網上買來的氣象乳膠球，帶著設備一直往上飛，直到爆炸，然后借助一個小降落傘把設備帶回地面。但是它們的滯空時間足以完成原理驗證。

這些測試驗證了氣球驅動互聯網的可行性，但是團隊很清楚氣象氣球不是長久之策，因為它們并不是用來長期在平流層飛行的。于是，這些狂熱的氣球愛好者開始靜下心來捫心自問：“如果我們想做驅動整個世界的氣球互聯網絡，應該制作哪種氣球呢？”

于是他們創造了“信天翁”：手工將12片聚氨酯薄膜縫制起來，制作每個氣球花費團隊超過12小時的時間，但最后確實物超所值，“信天翁”飛得更高更久，給團隊大量的機會來測試早期的聯網設備。

“白頭翁”是他們早期的一次“太陽氣球”的嘗試。他們希望制造一種理論上可以自己待在空中的氣球，白天內部的氣體加熱，密度降低，高度上升，晚上高度下降，每次太陽升起，浮力能夠恢復到開始的水平，氣球恢復到正常高度。從原理上講，這個主意還不錯，但是大批量地制造這種形狀的氣球顯然是不現實的。

“白頭翁”不但制造麻煩，發放時還需要特別的技巧。發放團隊在加利福尼亞中央山谷中發放“白頭翁”時，遇到大風吹著氣球在山谷里翻滾。（這種形式的氣球，我的同事給起了個形象的名字——“糖三角”）

一個漫長而又陽光明媚的午后，LOON團隊突然覺得設計一個正圓球會不會很有意思。這個閃閃發光的圓球從未發放過，但是它為LOON團隊的氣球設計指明了一個新的方向。為了更長的飛行時間，團隊開始著手設計超壓氣球。當氣球內部的壓力逐漸超過外面的壓力時，可以在較長時間內維持恒定的高度。對于超壓球來說，球形顯然比有銳角的形狀更有利于壓力均勻分布，避免應力集中。

經過幾次失敗之后，LOON團隊確信已經做出了一個可行的超壓氣球方案，這個氣球大到足夠支撐LOON的信號傳輸設備。問題是，他們沒有找到任何一種合適的材料或者制造方法去做出一個足夠結實的球體能夠承受如此大的壓力。團隊的想法首先是證明這種設計的可行性，于是，使用早期氣球原型的一些邊角料，制造了“獵鷹”，一個127英尺長的硬化聚酯薄膜制成的圓柱體，比兩條保齡球道還要長。

“獵鷹2號”與“獵鷹1號”的設計一樣，但是采用了透明的聚酯薄膜，具有更好的焊接強度。得益于焊接強度的增加，“獵鷹2號”成為他們的第一個超壓浮空器，被成功放上了天空并且飛了12天，有很多人誤以為在美國的肯塔基州看到了UFO。

“老鷹”版本的長度達到了141英尺，遠超“獵鷹”的長度。“老鷹”增加了副氣囊的設計，可以用來控制高度，往副氣囊內打空氣，總重量就會增加，高度就會下降，反之高度就上升，可以通過高度的變化來選擇不同的平流層風向。確定了這一關鍵因素之后，他們開始尋找可以幫助他們大規模設計和制造氣球的合作伙伴。

LOON團隊與Raven aerostar合作制造了“朱鹮”版本，后者是氣球設計和制造領域的專家。與Raven aerostar合作后終于可以制造足夠多的氣球進行縮比測試，采用的南瓜造型也比圓柱設計結實得多，但并不是一帆風順。最開始在新西蘭進行的初步試驗表明，續航時間只有5天。但是時至今日，隨著設計和制造流程的不斷改進，他們已經能夠批量生產續航天數在100天以上的氣球，其中最長記錄為187天。

在努力提高飛行時間的同時，團隊也在持續改善信號傳輸技術。他們需要更小更靈活的平臺，可以快速下降并回收，來反復測試他們的設備。Raven aerostar提供了更小尺寸的“茶隼”版本零壓氣球，很好地完成了一次又一次測試任務。在2014年項目正式公布一周年之際，他們使用“茶隼”氣球完成了在巴西的設備到設備之間的LTE通信測試。

根據LOON團隊未來的需求，加上了全功能的信號傳輸設備、電源和操縱閥等設備，重量超出了“朱鹮”的載荷能力上限，于是Raven aerostar又給他們提供了“百靈鳥”版本，這是他們設計的最大的氣球版本了。“百靈鳥”增加了30%的載荷能力，可以充分測試飛行導航、供電和信號系統。

同時，氣球制造團隊致力于開發一個生產流程，以持續制造合格的超壓氣球，為此，他們引進了缺陷檢測系統，以自動檢測膜片上最小的漏洞和缺陷。“灰背隼”首先采用了這個制造流程，大約只有“百靈鳥”一半的尺寸，但是獲得了與后者一樣的升力，更重要的是達到了續航100天的目標。

時至今日的“夜鶯”版本是LOON團隊和Raven aerostar團隊共同智慧的結晶，集合了以前版本的所有優點，可以攜帶全功能的LTE測試設備、氣球之間通信設備、連接地面基站的設備，而且可以批量生產。雖然還有很多工作要做，但是一想到“夜鶯”將給農村和邊遠地區帶去持續不斷地互聯網接入，團隊成員個個感到歡欣鼓舞。

到了“夜鶯”版本，LOON氣球算是基本定型了，而且也取得了比較理想的效果。來看看谷歌給其研發里程中的氣球版本起的名字吧（飛鳥集）。

1.探空氣球：翼手龍pterodactyl

2.信天翁Albatross

3.白頭翁Grackle

4.正圓球，沒發放，無代號

5.獵鷹-A Falcon—a

6.獵鷹V2 Falcon version 2

7.老鷹Hawk

8.朱鹮Ibis

9.茶隼Kestrel

10.百靈鳥Lark

11.灰背隼Merlin

12.夜鷹Nighthawk

看了LOON氣球的研發里程，也許你的第一感覺是為谷歌的鉆研精神所嘆服。谷歌確實是從零開始搞研發的，從“信天翁”到“老鷹”，這些版本的氣球水平是很低的，不夸張地說，是業余水平。但是到了“朱鹮“版本，劇情逆轉了，直接上超壓南瓜球這么高大上的技術了。什么原因呢？Raven aerostar團隊參與了氣球的設計。

自從aerostar團隊參與LOON項目后，可謂進展神速，“夜鷹”版本的平均續航時間大幅度提高，據說在100天以上。看來專業的事情還是要讓專業的人來做。（作者為中國科學院光電研究院高級工程師）