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(huán)狀連接網(wǎng)絡(luò)，為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。2013年谷歌首次對外公布該項目，時至今日，已初具規(guī)模，與多個國家達(dá)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(xiàn)成的最基本的無線電發(fā)射裝置。團(tuán)隊后來開始制作非常大的氣球以期能夠攜帶足夠的設(shè)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(lián)網(wǎng)，他們需要建立一個系統(tǒng)可以大規(guī)模制造這種氣球，在這個思想的指導(dǎo)下，設(shè)計了最后的“夜鶯”版本，這是一種前所未有的設(shè)計。

現(xiàn)在他們揭秘了相關(guān)的檔案，從最原始的氣球到最新的批量設(shè)計，看看他們在開發(fā)氣球的過程中是如何面對這些挑戰(zhàn)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(wǎng)上買來的氣象乳膠球，帶著設(shè)備一直往上飛，直到爆炸，然后借助一個小降落傘把設(shè)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(qū)動互聯(lián)網(wǎng)的可行性，但是團(tuán)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(qū)動整個世界的氣球互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該制作哪種氣球呢？”

于是他們創(chuàng)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(tuán)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(tuán)隊大量的機會來測試早期的聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(nèi)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(fù)到開始的水平，氣球恢復(fù)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(xiàn)實的。

“白頭翁”不但制造麻煩，發(fā)放時還需要特別的技巧。發(fā)放團(tuán)隊在加利福尼亞中央山谷中發(fā)放“白頭翁”時，遇到大風(fēng)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(tuán)隊突然覺得設(shè)計一個正圓球會不會很有意思。這個閃閃發(fā)光的圓球從未發(fā)放過，但是它為LOON團(tuán)隊的氣球設(shè)計指明了一個新的方向。為了更長的飛行時間，團(tuán)隊開始著手設(shè)計超壓氣球。當(dāng)氣球內(nèi)部的壓力逐漸超過外面的壓力時，可以在較長時間內(nèi)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(yīng)力集中。

經(jīng)過幾次失敗之后，LOON團(tuán)隊確信已經(jīng)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(shè)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(jié)實的球體能夠承受如此大的壓力。團(tuán)隊的想法首先是證明這種設(shè)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(shè)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(dá)到了141英尺，遠(yuǎn)超“獵鷹”的長度。“老鷹”增加了副氣囊的設(shè)計，可以用來控制高度，往副氣囊內(nèi)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(fēng)向。確定了這一關(guān)鍵因素之后，他們開始尋找可以幫助他們大規(guī)模設(shè)計和制造氣球的合作伙伴。

LOON團(tuán)隊與Raven aerostar合作制造了“朱鹮”版本，后者是氣球設(shè)計和制造領(lǐng)域的專家。與Raven aerostar合作后終于可以制造足夠多的氣球進(jìn)行縮比測試，采用的南瓜造型也比圓柱設(shè)計結(jié)實得多，但并不是一帆風(fēng)順。最開始在新西蘭進(jìn)行的初步試驗表明，續(xù)航時間只有5天。但是時至今日，隨著設(shè)計和制造流程的不斷改進(jìn)，他們已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)續(xù)航天數(shù)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(tuán)隊也在持續(xù)改善信號傳輸技術(shù)。他們需要更小更靈活的平臺，可以快速下降并回收，來反復(fù)測試他們的設(shè)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(wù)。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(shè)備到設(shè)備之間的LTE通信測試。

根據(jù)LOON團(tuán)隊未來的需求，加上了全功能的信號傳輸設(shè)備、電源和操縱閥等設(shè)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(shè)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(dǎo)航、供電和信號系統(tǒng)。

同時，氣球制造團(tuán)隊致力于開發(fā)一個生產(chǎn)流程，以持續(xù)制造合格的超壓氣球，為此，他們引進(jìn)了缺陷檢測系統(tǒng)，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(dá)到了續(xù)航100天的目標(biāo)。

時至今日的“夜鶯”版本是LOON團(tuán)隊和Raven aerostar團(tuán)隊共同智慧的結(jié)晶，集合了以前版本的所有優(yōu)點，可以攜帶全功能的LTE測試設(shè)備、氣球之間通信設(shè)備、連接地面基站的設(shè)備，而且可以批量生產(chǎn)。雖然還有很多工作要做，但是一想到“夜鶯”將給農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)帶去持續(xù)不斷地互聯(lián)網(wǎng)接入，團(tuán)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)余水平。但是到了“朱鹮“版本，劇情逆轉(zhuǎn)了，直接上超壓南瓜球這么高大上的技術(shù)了。什么原因呢？Raven aerostar團(tuán)隊參與了氣球的設(shè)計。

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