浮空器之最系列（二）气球究竟能飞多高？
人类自古就有飞天的梦想，从明朝万户飞天，到达·芬奇扑翼机草图，再到莱特兄弟“飞行者1号”，人类的飞天梦经过一代代人的大胆设想与不懈努力已最终实现。随着科技的进步，人类借助飞行器抵达的高度记录被不断刷新。随着太空时代的到来，对于突破了卡门线的航天器来说，高度似乎对它们没有什么意义了，但是对于航空器来说，天空的极限到底是多少呢？
有资料显示，世界上飞得最高的飞机是美国的 X－15 A研究试验机。1961年3月30日，美国航空航天局的试飞员约瑟夫·沃尔克驾驶该机飞到了5.1695万米的高度，1962年 4月30日飞到了7.5195万米的高度，7月17日，他又飞到9.5936万米高度，被世界航空组织正式批准为世界绝对纪录。由此他成为世界第一位“驾驶飞机的宇航员 ”。美国航空航天局规定：超过8万米飞行高度便可称为宇航员。1963年8月22日，他在爱德华空军基地上空，再次飞到了10.8万米的高度。X－15 A是北美航空公司研制的以火箭为动力的有人驾驶高空高速研究机。该机装有一台锡奥科耳化学公司的 X L R99－ R M－2型单腔可调液体推进剂火箭发动机，在1.37万米高空时的推力为253.85千牛，机舱上涂有可耐1648℃高温的物质。该种机共生产3架，试验于 1968年11月结束，共计飞行199次。该机还是飞得最快的飞机，1967年10月3日曾创造了飞行马赫数6.72的纪录。
这张照片的寓意非常明显：
X-15创造了世界飞行速度纪录，一骑绝尘之后，后来者难以望其项背。而先驱者们，则调皮地把头盔反戴，回望和鼓励追随者与挑战者。
X-15后来被称为高超声速亚轨道空天飞机，它为航天飞机的发展奠定了基础。因为它采用的是火箭发动机，而且借助了B-52载机空中发放，对于采用吸气燃烧发动机的航空飞行器来说，有点太欺负人了。
毕竟看看谁曾经参加过X-15的试飞你就明白这么说一点都不过分了。
尼尔·阿姆斯特朗成功完成第二次X-15技术验证机的飞行后，与该机的亲密合影。
没错，就是那个第一个登上月球的人：尼尔.阿姆斯特朗。事实上，X-15不是没有做过努力去证明自己是一架航空飞行器：
X-15 A2 配备了两个硕大的副油箱。注意，该机在短尾鳍下方，吊挂了一台冲压发动机。
原本设想是让X-15在高空实现高超声速飞行之后，由冲压发动机接力工作，实现长时间高超声速巡航飞行。不过，当时人类工程师对超燃冲压的技术难度估计不足，发动机难以在超燃状态下稳定工作，试验也就作罢。（实际上，冲压发动机的安装架也未能抵住高超声速的热流侵袭。）
所以X-15创造的107.8km的飞行高度记录并不在我们今天讨论的范围内。
那么让我们看看前苏联的米格-25战斗机表现如何？
20世纪60年代末期苏联米高扬设计局研制的高空高速截击战斗机，是世界上首型最大飞行速度超过3马赫的战斗机 。
该机 原型机于1964年首次试飞，1969年开始装备部队。米格-25大量采用了不锈钢结构，在设计上强调高空高速性能，曾打破多项飞行速度和飞行高度世界纪录，是世界上闯过“热障”（M2.5）仅有的三种有人驾驶飞机之一（另两种是美国的SR-71和俄罗斯的米格-31）。
米格25型战斗机就是为了高空战斗而生，在1977 年 8 月 31 日以无负载状态创造的37,650米，这是采用吸气式发动机飞行器的绝对世界纪录！
米格-25绰号蝠狐，曾经被苏联飞行员别连科驾机叛逃到日本，具体细节航空迷们都清楚，真的是一架有故事的飞机。
面对米格25的强劲挑战，作为航空器一员的浮空飞行器也不甘示弱，打出了超高空气球这张王牌。
对于超高空气球（UHAB，Ultra-High Altitude Balloon）这种不依靠燃料动力而仅靠自身浮力升空的飞行器，究竟能够飞多高？就让JAXA来告诉你答案。
日本的JAXA在超高空气球技术研究方面处于领先地位，2002年试验的气球携带10kg载荷到达53km的飞行高度。2013年9月20日于北海道进行试验飞行的气球更是达到53.7km的高度，这也是目前高空气球的飞行高度的世界纪录。该气球球膜材料厚度仅2.8微米（家用保鲜膜的厚度是6微米），球体直径约60米，体积8万立方米。这样一个气球的作用当然不是为了创纪录，JAXA在其上携带了探测载荷，用于高空气象探测，在此之前该高度的气象探测只能靠探空火箭飞掠来实现。
JAXA于2013年发放的超高空气球
发展超高空气球是很有意义的。气球飞行高度的提升可以增加探测覆盖面积，且运行空间更接近太空环境。将升限提高至40km乃至50km以上，一方面可以提高气球的能力，另一方面可以拓宽其应用领域，使其具备完成更高要求试验任务的能力。
但高度的提升也意味着挑战。升限和载重是浮空器的两个重要的设计参数，浮空器的设计对这两个参数非常敏感，两者的增加都会导致球体体积大幅增加，进而造成设计、制造、发放的困难。目前常规的高空气球一般升限都在20到35km左右，升限若要达到40km乃至50km以上，一方面要减小载重，另一方面需要使用更薄的球膜材料。材料是制约浮空器升限的一个重要因素，因为升限的增加将导致体积的增加，而体积的增加又会导致球体重量的增加，并进一步导致体积的增加，体积和重量的增加将导致球体设计、加工、发放的难度大大增加。所以在保证强度的前提下尽量降低材料的面密度可以减小球体自身重量的增加速度，从而使相同载重、升限的球体体积更小，或是以相对较小的体积实现更高的升限，并降低球体设计、加工、发放的难度。
目前常规高空气球使用的材料基本是厚度20微米左右的低密度聚乙烯薄膜，而要到达50km以上的高度，可能需要将材料厚度降低至仅有几微米。能制作出如此薄而又能具有足够强度的材料，并能将其制成的气球成功发放，也许这才是超高空气球的核心技术。
参考文献：
小火箭 | 详解 X-15:最经典的高超声速亚轨道空天飞机
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