卫星的妒火：深入认识一家公司的计划——用平流层气球来替代卫星
本文转自AIAA旗下月刊杂志：Aerospace America,由中科院浮空器研发中心刘乾石，黄宛宁编译。
人造卫星的建造和发射费用是出了名的昂贵，而且一旦进入轨道，除非是在极端特殊的情况下，否则它们就无法被维修或升级。很多人试图找到一个令人满意的解决方法，其中就包括了美国前国务卿Alexander Haig和他的儿子Alex。1990年，在他们的领导下曾做过一个尝试，即通过将飞艇的网络提升到平流层，实现为世界上的偏远地区提供互联网和电话服务的目的，但是他们最终失败了。
目前最新接受这项挑战的是一家名叫World View Enterprises的公司，它是2012年在亚利桑那州图森成立的一个小公司。该公司原计划希望有朝一日实现让游客乘坐平流层气球飞行，并对游客收取75,000美元/人的费用。但在2015年，鉴于空间行业的需求下降，该公司将重点放在另一个近期目标上：携带相机和其他仪器进入平流层。World View目前已经发展成为了一个拥有70名员工的公司，该公司正在对一种充氦气的平流层气球进行飞行测试并将这种气球称为Stratollites，每个Stratollites气球都由一种新概念的压舱控制系统。
想要达到这一点并不容易。设计师们必须调整他们对气球的想法，并以某些意想不到的方式进行创新。
据World View公司的联合创始人Taber MacCallum曾经在时任谷歌高管Alan Eustace的帮助下于2014年创造了一项跳伞记录。他说，当他和他的同事们开始关注World View的技术时，他们的想法是：“如此大的一个庞然大物，这得有多难？”事实证明，这很难。气球上的摄像机和通信设备必须逐一保证每个气球在持续数月的飞行时间里都被准确定位（译者注：这里貌似说的是google的project loon，但是loon气球是没有太阳跟踪系统的），同时，每个气球的太阳电池阵都必须一直跟踪太阳方位。MacCallum这样描述这些气球：“精妙而又复杂”。
如果World View可以将其技术推广到飞行测试之外，Stratollites气球可能会被放置在城市或其他地区的上空，并按需提供高分辨率的图像。但是目前我们还无法在空间中做到这一点，因为低轨道卫星要在其成像目标一定距离外飞行，而地球同步卫星必须在赤道上空35000公里处飞行。World View表示，Stratollites气球仅仅花费常规卫星大约1％的运行成本，却大大增加了机动性，可以通过将有效载荷返回到地面来实现维修和升级。
对于World View而言，2017年是一个巨大的转折点。科罗拉多州的Ball Aerospace公司是世界领先的卫星摄像头和人造卫星制造商之一，通过与该公司合作，World View在2月和8月发射的Stratollite浮空器上装载了Ball公司生产的可见光摄像头和近红外摄像头并上升到了7500英尺的高度。美国南方司令部(U.S. SouthernCommand)就是该公司在8月份的飞行计划的客户。6月，Stratollite气球在平流层测试了太阳能电池板跟踪系统的软件，并通过携带肯德基快餐连锁店的三明治来加大宣传。NASA也开始注意World View这家小公司，该局的太空技术任务部在7月Stratollite气球的飞行期间收集了27小时的数据。NASA认为World View公司的高度控制技术很有可能被应用在火星探测气球的控制上。
World View的员工在填充一个Stratollit的主气囊，亚利桑那州
利用风向导航
当World View的工程师开始工作时，他们知道他们需要一种长时间保持气球覆盖到特定区域的方法。由于考虑到重量和能量的需求问题，再加上如果想要推动平流层高度的稀薄空气就需要3米以上的螺旋桨，所以使用螺旋桨并不能作为理想的动力方案。
MacCallum和他的同事们从2014年的一次被称为“StratEx Space Dive”的Eustace跳伞活动中上了重要的一课，在努力破纪录的同时，他们获得了平流层气流分层的第一手经验：即在同一高度上的气流是同一个方向，而不同高度上的气流方向也不同。
MacCallum和他在World View的团队讨论并得出了结论，他们可以通过控制气球在平流层的上下移动来控制其对某一区域的覆盖，问题是如何做到这一点呢。一开始，MacCallum希望通过控制气球和压载舱的氦气排放来控制上下移动。将氦气压入压载舱可以有效降低气球的浮力并减小气球的高度，再通过把氦气吹回到气球里面就可以使它重新膨胀并上升高度。然而这种技术对于Stratollite气球来说并不管用，因为压气机在高海拔的地方需要耗费太多的能量来泵送氦气。
图3图左为World View 首席技术官Taber MacCallum，他和他的团队准备发射一个Stratocraft
还有一个想法同样也被驳回了，这个想法希望用气球包围氦气囊然后通过吸入或排出空气来起到压舱物的作用，就像谷歌气球使用的方法那样，然而谷歌气球的目标是提供高速的互联网服务。但是这种方法并不能使用在Stratollites气球上面，因为它远比谷歌气球大得多，每个Stratollites气球充气后能够达到高40米、宽23米，并且能够携带500kg的设备，传统的气象气球与之相比就显得相形见绌。这500kg的设备包含了蓄电池、太阳能电池板、飞行控制电子设备、储气囊、加热器、GPS应答机、重达50~100kg的相机等载荷和一个降落伞。其中，GPS应答机的功能是在上升或下降到商业空域的时候用来警示其他飞机的，降落伞是用来在飞行阶段的最后把所有设备带回到地面。当World View的工程师试图通过用氦气和充气囊给气球充气时，气球是很难通过昼夜温差变化来控制其高度的。
该团队还想出来一个不同的控制策略：令氦气为气球持续提供浮力，再通过把大气中的空气压入压载舱来增加其重量并借此提供气球用来下降的拉力；或者压载舱释放空气使得它变得更轻，这样Stratollite气球就可以上升了。（这一段如此关键，我还是把原文贴上来吧，Helium continues to provide the lift, but each Stratollite controls its altitude by compressing air from the atmosphere and packing it into ballast tanks, making those tanks heavier and pulling the balloon down. Or the ballast tanks can release air, making them lighter so the Stratollite rises. 貌似跟前面说的方法没有区别）World View声称已经进行过大约50次的测试飞行，最远可以追溯到2015年。在这一路的探索路程中，他们的工程师发现气球在理论上可行与气球在实际状况中的飞行行为还存在着一条巨大的鸿沟，尤其是在稀薄空气中和极端温度波动下的工作状态和理论上相差甚远。但是，工程师们通过飞行测试和有创造性的地面实验，成功跨越了这道鸿沟。
太阳持续跟踪
工程师们需要弄清楚的另一个复杂问题就是如何保持悬挂在气球下方的太阳能电池阵列始终指向太阳。平流层过度稀薄的空气导致动量很容易从太阳电池阵列转移到气球上，反之亦然，很是棘手。MacCallum说：“你希望你自己在气球下方旋转，然而每当你试图停止旋转并朝向某个东西的时候，气球却会在你的上方旋转起来。这种持续不断的调整会一直跟随在气球的动量上。”
除此之外，还有来自气流和运动部件的难以预测的力，MacCallum称它们为扰动。他说：“当一切设备都正常运转，且没有扰动的时候，就可以很好的达到理想状态。可是一旦加入扰动，系统就要立刻对扰动作出反应并消除扰动达到稳态，然后锁定太阳的位置。随着扰动逐渐趋于平缓，系统需要时刻对受其变化所影响的动量进行反馈。”工程师通过编写计算机模型解决了这个问题，这些计算机模型参数包括了气球的旋转速度和旋转加速度速度。所编写的计算机代码能够控制电机来让太阳电池板进行精确的转动，同时代码也能够控制气球的旋转来辅助完成这项功能
图4飞行在空间边缘的时候，Stratollite上面的一个摄像机抓拍到Stratocraft的舱体一部分
工程师们从一个模型开始着手，这个模型可以揭示出气球如何顺着太阳能电池阵列或者反着太阳能电池阵列旋转。随后，他们确定了一种模型：用四根实际测量值为1~4米的工字钢，将它们悬挂在WorldView的Tucson办公室的一根垂直导线上，这样就可以支撑Stratollite气球上的太阳电池阵、球体和其他载荷。航天工程师们用棍子戳在工字钢上，并试图让他旋转，因为它们是关于中心点对称的并通过轴承的电线连接然后被分离开。这样可以让轴承自由的旋转，同时这样的结构可以让小型电机控制其中一个工字钢一直面向某一个方向。一旦计算机代码能够控制工字钢连带着使太阳电池阵列一直指向所期望的方向，而且即使是人为的拨动它也能够正确的指向，那么就说明工程师们已经准备好测试飞行了。
太阳能电池阵列的控制编码的第一次成功飞行测试是六月份的肯德基汉堡飞行，持续了大概17小时，由于气球的泄漏导致预计四天的飞行中止。MacCallum说：“那是我们有史以来第一次将太阳能电池阵列指向太阳，对我们来说意义重大。”
消除剧烈振动
Ball Aerospace公司在Stratollites气球上也有他们自己需要解决的工程难题。该公司认为，Stratollites气球可以为他们开发传感器设备的潜在市场。
Bill Good是Ball公司的飞行计划技术主管，他说：公司里面的工程师们知道如何消除无人机和卫星上传感器获取图像时的振动，也知道如何抵消卫星摄像头上的极端空间温度。但是，若想为传感器设计出能够适应平流层的能力，将会是一个巨大的挑战，因为那里既不是真空环境也没有地面层所拥有的大气。
振奋人心的纪录
2014年10月24日，谷歌时任高管Alan Eustace从一个海拔135,890英尺高的氦气球进行跳伞并打破了纪录。StratEx Space Dive开始产生了用高空气球替代卫星的想法。在打破纪录之前，谷歌公司启动了Project Loon(谷歌气球计划），该项目中的气球是用来提供互联网服务的。Eustace的一个朋友就是Taber MacCallum，他帮助创建了World View公司，该公司的的目标是通过Stratollites气球对地球进行成像拍摄。
Good说：“这是一块中间区域，它不是真空环境而是有一点点的稀薄空气，这就导致对这部分区域的情况进行建模是非常困难的，甚至可以说是一项艰巨的挑战。”
Ball公司的分析师们正在编写可以模拟平流层稀薄空气和温度的计算机模型，模拟的温度范围最低可以达到零下五十摄氏度。他们根据计算机建模模型设计了传感器的加热器，然后在科罗拉多州博尔德的一个实验室中测试了传感器和加热器的性能，模拟了平流层的部分真空和低温环境。他们在二月份对传感器和加热器进行了测试，从76,900英尺高的Stratollite气球记录下了图像，图像分辨率优于5米，其中有一个传感器能够达到1米范围内的精度。在8月份的Stratollite气球飞行中，他们将图像传送到了地面。
另一个挑战是，Stratollite气球在飞行中所产生的振动与安装在飞机或卫星上的相机所遇到的振动完全不同。因此，Ball公司的工程师们对二月份的测试飞行中产生的振动进行了测量和评估。在Ball公司与World View合作之初，Ball的工程师对平流层气球飞行中的振动程度一无所知。Good说：“为了避免图像变得模糊，我们需要了解平台所能提供的性能指标，无论是飞机、卫星和Stratollite气球都需要解决这个问题。”他还说，气球飞行期间的振动与飞机机械发动机的机械振动不同，而且对于气球来说问题的挑战性可能更大（译者注：我怎么觉得是更小？）。
“气球的动量会产生持续不断的振动”，World View公司的联合创始人兼首席技术官Taber MacCallum，用这句话描述了控制太阳能电池阵列一直指向太阳的技术难度，而电池阵位于Stratollite气球下方系缆绳上更是增加了难度。Good拒绝透露Ball公司工程师为减小Stratollites上的振动而作出的具体调整方法。但他说，之前他们已经将橡胶配件模塑成了相机的减震器，并采用防抖动或图像稳定稳定软件，与市面上的数码相机相似。
随着World View公司逐渐朝着几个星期甚至几个月的飞行时长的方向发展，它需要更多的创新性来提供成像拍摄服务、科学实验平台、通信连接和物联网服务。MacCallum说：“这感觉就像是‘Mythbusters’（《流言终结者》）电视节目，一旦有一个人提出了某个想法，大家就会对这个想法进行测试检验。”