探測空間的氣球

呂雪萱

當阿波羅登月飛船和航天飛機一次次飛向太空之際，人們未必想到，還有一種飛行工具——氣球正在空間探測中扮演著重要的角色。

人類首次上天的飛行器

1783年，法國和西班牙一直在攻打地中海的門戶直布羅陀，但總不能得手。這時，法國兩個名不見經(jīng)傳的鄉(xiāng)下造紙工人蒙哥費爾兄弟宣稱：“我們擁有一種超人的本領(lǐng)，能把士兵們從天上送進這座堅固的要塞。”他們所說的“超人本領(lǐng)”就是使用氣球。

當時人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了氫氣，并懂得了氫氣比空氣要輕，蒙哥費爾兄弟便想到了可以做氫氣球。他們立即動手用紙和布糊成了一個球，但解決不了漏氣問題，氫氣球飛不起來。兄弟倆并不因此氣餒，他們試著把熱氣裝進氣球里，熱氣球竟飄然上天了。

蒙哥費爾兄弟大受鼓舞，又動手制作了一個更大的氣球。這個氣球酷似倒放的大罐子，直徑有15.25米。氣球頸部用編織起來的柳條匝著，底下安了個大火爐。一個名叫皮拉特爾·德羅齊埃的青年科學家自告奮勇登上氣球，用掌握爐火的辦法控制氣球的升降。1883年11月21日，這個氣球從巴黎冉冉升起。人類第一次飛上了天空。氣球飛行了約8公里后安全降落，觀看這次飛行的路易十六和成千上萬的巴黎市民被這個能飛上天的龐然大物驚得瞠目結(jié)舌。

不久，一個名叫雅克·夏爾的法國物理學家造出了氫氣球，這個氫氣球已經(jīng)采用了現(xiàn)代氣球所使用的許多技術(shù)，氣球在底部開口，這樣飛到高空氫氣膨脹時便可從此處逸出。氣球頂部裝有閥門，如果飛行員打算降落就打開閥門，放出氫氣，氣球便會緩緩降落下來。雅克的氣球載人后飛行了兩小時，飄到了約43.5公里外的地方。

由于氫氣容易獲得，加上氫氣球易于控制，飛行時間長、距離遠，因此很快就壓倒了熱氣球，成為氣球飛行的主要工具。

激動而又危險的飛行

進入二十世紀以來，人類在航空和航天飛行上有著突飛猛進的發(fā)展，隨著飛機、火箭、宇宙飛船乃至航天飛機的相繼問世，氣球漸漸地不為人所注目了。

但是，科學家們并沒有忘記這個為人類航空立下汗馬功勞的飛行工具，在探索空間的科學道路上，它仍然起著重要的作用。

隨著氣球的不斷升高，空氣壓力也越來越小，在海平面時壓力為1，OOO毫巴，而氣球飛到38，600米的高空時空氣壓力僅3毫巴，這樣稀薄的空氣使載人飛行充滿了危險。但又激勵著人們到高空去探險攬勝。

1935年，美國全國地理學會的“探索者2號”氣球創(chuàng)造了22，062米的氣球飛行世界記錄，一直保持到1955年。上世紀五十年代，美國海軍的“同溫層實驗室”和空軍的“高空飛人”氣球飛行，由于采用了新型聚乙稀材料，不斷創(chuàng)下新的記錄。

1961年5月4日，兩名美國海軍飛行員駕駛“同溫層5號”氣球，從停泊在墨西哥灣的“安提阿托姆”號航空母艦起飛。由于高空空氣稀薄，他們都穿著宇航員的太空服。氣球達到了34，608米的高度并安全降落。不料樂極生悲，當直升飛機從海上接應起兩人后，一名飛行員普羅思不慎從直升飛機的吊架失手跌落海中，這位創(chuàng)下氣球飛行世界記錄的英雄沒有在高空遇難，卻葬生魚腹。

從此以后，人類基本上停止了高空載人氣球飛行的競爭，然而不載人的探索空間氣球繼續(xù)向藍天挺進。幾十年來在這方面取得了一系列的成就。

探索空間顯露才能

用氣球首先作出的天體物理學的發(fā)現(xiàn)是在1912年至1914年，科學家們發(fā)現(xiàn)，當氣球飛到約8，700米時本底輻射增加了，但由于當時氣球飛行高度和測量儀器的限制，無法對此作更深入的研究。直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，隨著更輕的氣球材料和自動測量儀器的不斷問世，這項研究才得以繼續(xù)發(fā)展。

此外，1935年對高層大氣中次級宇宙射線粒子增衰的觀測研究，以及1941年對宇宙射線的本質(zhì)、1958年對太陽光球的攝影和太陽米粒組織的理解、1959年對由太陽耀斑引起的硬x射線、1964年對冷星大氣層的蒸發(fā)問題、1965年對蟹狀星云和脈沖星、1999年對金星高層大氣的冰云、2004年對宇宙背景的研究及2011年對蟹狀星云和脈沖星發(fā)來的射線和2013年對銀河系中心物質(zhì)與反物質(zhì)發(fā)出的51千伏發(fā)射譜線等研究中，空間探測氣球都作出了卓著的貢獻。

除了作為觀測平臺外，近年來氣球更多地被用作試驗平臺，許多將安裝在航天器上的儀器事先都經(jīng)過氣球飛行的檢驗。由于氣球的載重量較大，一般可攜帶500-1，000公斤載荷;飛行高度高，可達40，000米甚至更高;起飛降落都比較平穩(wěn)，價格也很低廉。因此，很自然的就成了航天科學家滿意的試驗工具。天空實驗室和阿波羅飛船上的日冕儀，“先驅(qū)者lO號”和“先驅(qū)者11號”上的光偏振儀及許多儀器事先都由氣球作了模擬飛行試驗。如果沒有這些試驗基礎(chǔ)，各種航天器是很難獲得成功的。氣球試驗一個很好的例子就是美國航空與航天局的射y線觀測器。

y射線觀測器的飛行試驗

y射線觀測器是馬歇爾空間飛行中心研制的，專門檢測宇宙中瞬態(tài)的射線源。這個觀測器在空間的五項實驗全部經(jīng)歷過氣球飛行的試驗。氣球所攜帶的觀測器如同實際的一樣，在八個角上裝有八套檢測儀。當氣球飛到高空時，宇宙中的射線擊中檢測儀上鹽晶體的特殊面，引起閃耀，并由光電倍增管陣列立即記錄下來。負責這項研制工作的菲什曼博士說，“隨著氣球一次次的飛行，我們的思想也不斷升華。”

氣球飛行一般在春秋天進行，因為這種季節(jié)常常會出現(xiàn)高低空氣流方向相反的回旋風，這是氣球正常飛行所需要的。

一旦氣候條件滿足要求，緊張的放飛工作立即開始。三個小時后氣球便達到了36，600米的高度，地面控制站一面控制著氣球的飛行姿態(tài)，一面緊張地接收從氣球儀器上發(fā)來的各種數(shù)據(jù)信號。

氣球高度接近極限時，地面控制站便發(fā)出降落指令，讓遠在數(shù)萬米高空的氣球自動放出氣體，使氣球緩緩降落。與此同時，一架飛機也朝降落方向飛去，追蹤氣球的下落。最后，載重汽車將氣球運回發(fā)射場，經(jīng)維修后再次使用。

氣球并不象阿波羅飛船或航天飛機那樣有著驚天動地的科學成就，但這個被稱之為“后院科學”的飛行工具默默無聞地但卓有成效地為空間科學工作著。