一篇8000字的学术交流会总结报告-第23届欧洲火箭与气球项目研讨会
欧航局举办的第二十三届欧洲火箭与气球项目研讨会于2017年6月11日在瑞典维斯比召开。欧洲火箭与气球项目研讨会历史较为悠久，其第一届可追溯到1973年，之后每两年举办一次，每次在欧航局成员国中的法国，瑞典，德国，挪威，瑞士之间轮流举办。
今年轮到瑞典，下一届为德国，再下一届在法国举办。会议的主旨既讨论各个国家探空火箭与高空科学气球本身的发展计划，应用范围与技术趋势，同时也对由探空火箭及高空气球搭载的设备所得到的观测数据进行详细的讨论分析和介绍。这次维斯比会议主要由瑞典空间公司（sweden space center，简称SSC）作为主要承办方，会议汇聚了来自欧洲各个国家的科学家，博士生以及本科生，非欧洲国家有中国和日本两国的科研人员参会。
临行前王老师和杨博士对我们嘱托，希望代表中国科学院展现出中国科研人员的风采，有压力，同时也有着必须圆满完成任务的决心。作为科学院代表第一次参会，我们最重要的任务一是对于会议的每一个关于高空科学气球的报告都认真的记录，二是尽量和世界上相同领域的机构建立联系，讨论未来合作的可行性。
中科院科研人员的风采（中间红衣服为法国CNES的科研人员，右一为笔者，左一为同事）
维斯比是一个坐落于哥特兰岛的中世纪古城，其没有大城市的繁华和喧嚣，却有着瑞典全年最长的晴天时长，四面环海且生活悠闲，是瑞典人度假的首选。但是对于参会的我们来说，五天的时间几乎全被各种报告占满，时间非常紧张。
和“jack”（睡眼惺忪版）的合影
会议的开幕式为6月11号的上午9点，第一天主要为各个被邀请人做报告。每个被邀请人都代表一个国家，其内容为介绍自己国家近几年及未来几年在探空火箭和高空气球领域的动向。
第一天（2017年6月12号）
开场瑞典作为这次的主办国做了第一个国家报告，报告中关于气球的项目主要介绍了PoGO+和In-situ IWC。PoGO+由高空气球搭载的载荷主要应用于天体物理学方面的探测和研究。其第一次升空搭载实验在2013年完成。第二次升空搭载实验在2016年7月12日在瑞典的试验场Estrange space center放飞，经过6天飞行，于2016年7月18日降落在加拿大的维多利亚岛（victoria island）。In-situ IWC所搭载的设备主要应用于大气科学探测，具体为探测高空大气的冰颗粒物。其气球体积并不大，只有500m³，升空高度14km，可见载荷并不大。在瑞典的国家报告中，学生项目的介绍也占了很大比重。由德国和瑞典两国联合合作的专门针对于欧洲学生，培养欧洲未来工程师和科学家的学生项目REXUS/BEXUS（R代表火箭，B代表气球）自从2007年开展以来，已经吸引了超过1000个学生参与其中（包括本科生，研究生和博士生）。每个参与到这个项目的学生，都旨在应用探空火箭和高空气球完成自己所需要的探测实验，其中学生们以项目组为单位需要独立完成关于气球和载荷之间的所有工作。但是很可惜，这个项目目前只对欧洲学生开放。
第二份国家报告由德国宇航中心（DLR）总结在2015年到2017年的所有由德国空间项目（German space programme）所支持的探空火箭和高空气球项目。其中，空间科学，地球观测均是基于高空气球的应用。LITOS（leibniz institude turbulence observations in the stratosphere）项目，其主要应用于测量对流层顶和平流层的大气湍流和波动，可以精确到厘米（cm）量级。具体为将湍流传感器载荷搭载在六个高空气球上上升到20到30km。其飞行试验时间为2016年1月13日到2016年2月2号，分别在挪威的Andoya space center 和瑞典的estrange space center都有试验。德国的BEXUS学生项目主要有两个关于气球搭载，一个代号BEXUS 20/21，在2015年10月7号和10号完成升空到将近28km，飞行时间4.5小时的飞行。一个代号BEXUS 22/23， 在2016年10月5日和7日完成升空到将近32km，飞行时间4.5小时的飞行。德国报告中还发生了一个小插曲，由于德国国家报告人在演讲中心脏不适，突然昏迷，被救护车紧急送到了医院，后来得到消息，幸好送达及时没有生命危险。
第三份国家报告由法国国家空间研究中心（CNES）做主题为“英仙座计划”的报告。（英仙座计划隶属于CNES发射董事会的未来准备项目，其主要的目的为：一是发展空间运输系统的技术创新。二是提升年轻人，特别是学生对于未来从事空间科学工作的积极性。三是起到地面测试和飞行试验的示范作用，为微小卫星（nano satellites）发射系统做详细的预先准备。）法国的报告全部是关于高空科学气球的项目，较为详细。报告人首先介绍了法国科学气球的背景，其中设计和资质包括：气球，内务系统，命令控制和地面站，发射方法等。制造管理包括：囊体制造（法国空星航空航天French Airstar Aerospace），飞行设备，地面软件等。运行包括：项目管理，发射，飞控，回收和安控等。载荷和科学设备发展包括：对于科学实验室的技术支持。目标载荷吊舱包括：设计，制造以及内部运营及维持。法国零压气球的其中一个项目为NOSYCA的应用，此项目为一个故障安全系统，分别在2014-2017的三年内，从三个地点，加拿大，瑞典，以及澳大利亚分别进行了19次成功的发放。气球大小从50000立方米到800000立方米，载荷从180kg到1100kg，最高升限40km，最长飞行时间33小时40分钟。气球在高空段35km-15km的降落段时速为2-4m/s。法国人还列举了详细的在以上三个地点进行气球发放活动的具体气球项目和参数信息。
加拿大进行的六个高空科学气球项目的具体参数表以及一些飞行总结（具体见照片）。在瑞典的气球发放就在estrange space center进行，共进行了两次成功的发放（具体见图片）。在澳大利亚的发放今年进行了三次成功的发放（具体见图）。同时，法国还介绍了cnes参与到NASA的CSBF（哥伦比亚科学气球机构，全称Columbia Scientific Balloon Facility，由轨道ATK公司运作）项目的相关载荷项目。此载荷名称为EUSO-Balloon Payload，是一个从高空观测紫外光的载荷。其第一个气球在2014年放飞，之后在2015和2016年将载荷搭载在超压球上进行了超长时间的飞行。最新一次的飞行实在2017年的4月24号，但是只飞行了12天，由于气球技术原因终止了飞行，这部分具体的内容浮空君已经在公众号里详细介绍过了。同时cnes和NASA的CSBF的另一个合作项目名称为“火球载荷”（fireball payload），此项目的载荷用于探测星系间的微弱漫反射（faint and diffuse emission），此项目的载荷1600kg，第一次飞行在2009年，最新的也是第二次飞行计划在2017年的秋季进行。 第二部分的介绍为目前正在运作的Strateole-2 项目。此项目联合了法国国内多家实验室以及美国，意大利，印度和俄罗斯的多个机构，目前正处于细节设计和制造阶段。其主要目的为：一是研究对流层和平流层在热带地区的耦合过程。二是研究热带对流层顶的横向和纵向输运过程。三是研究热带和全球天气的动力学和物理学机制。此项目会提供一个高空的实时观测数据用以改进天气的分析和预报，同时也为欧航局的卫星进行天气数据的验证。法国在2010年曾有过在热带地区长时间飞行的经验（3*90天）。而对于Strateole-2，其第一次飞行计划用于验证飞行系统的可靠性，计划于2018年进行。第二和第三次为正式搭载，飞行分别计划在2020和2023年进行。最后一部分法国人介绍了法国的系留气球系统。此系统名称为Aeroclipper，主要是将系留气球连接在一个在海上的漂浮物上，气球上携带载荷用以观测海面和空气的数据。由于有连接物，所以不会上升，气球只会随着风横向漂流。此种系留气球的应用法国计划在2017年10月开始进行多次试验，其最长的设计驻空时间为30天。
第四份国家报告为挪威关于Andoya space center的介绍。主要介绍了Andoya发射场的一些硬件设施和人员组成。
第五份国家报告来自加拿大的加拿大空间中心（CSA）。其中，加拿大自从1974年就已经进入到科学气球的领域。CSA其中的一个项目Stratos在2012年发射，地点为加拿大的Timmins发射基地（基地示意图见图），此项目和法国的CNES合作了10年，其中CNES提供飞行的硬件（气球等）和飞行运作。CSA提供中纬度发射场，回收服务以及所有气球和载荷的接口。对于CNES和CSA相互合作的需求，CSA可以为加拿大的科学家和工程师提供频发的发射机会，同时可以提供发射场。而CNES则需要一个零压气球的中纬度发射场（我个人觉得因为esrange在北极圈高纬度，可能无法完成中纬度的飞行任务，所以要和加拿大合作。但是由于我们部门在内蒙古的发射基地同样属于中纬度，也许可以凭借这个优势和CNES建立起很好的合作联系）。在2013年到2017年CSA和CNES的合作中，CNES共进行了20次零压球飞行，其中15次在Timmins（2013秋，2014秋，2015秋），1次在法国（2016夏），2次在瑞典的estrange space center（2016秋），还有3次在澳大利亚（2017春）。飞行时长从4小时到33小时不等。其中，共计100名加拿大科学家和80名加拿大学生参与到了项目当中。载荷的类型主要集中于大气天气遥感，宇宙学，大气测量，太阳能板等。在2018年，加拿大Timmins发射场还将进行多次的气球载荷任务（具体见图）。
第六份报告来自日本，其介绍了2015-2016年的六次气球试验。主要应用于伽马射线成像，平流层低温样本，微型微型，平流层生物气溶胶样本，火星气球飞行器以及大气重力波和臭氧层观测（具体飞行时间和高度见图）。其中日本人说到，在日本国内已经很难有超过三小时的飞行了，并且对于科学的应用越来越少，对于工程的应用越来越多。并且自2012年之后，由于高空气球的原因，有些飞行任务不得不取消。日本在外国的气球项目均可以飞行很长的时间，其提到了2000年在巴西飞行过一次，为具体提及项目。在2015年在澳大利亚飞行过一次。在2018年，日本还有三次气球飞行计划，分别为FITE（远红外干涉望远镜试验），SMILE（亚兆电子伏伽马射线成像试验）以及GRAINE项目。
第七份国家报告来自美国达特茅斯学院，其主要介绍了nasa现在正在进行的BARREL（气球阵探测辐射带相对论性电子损失）气球项目。其在2013及2014年进行了两次南极的飞行试验，每次试验飞行20个气球，平均飞行12天。在2015及2016年在瑞典的esrange space center进行了两次试验。主要目的为通过气球阵和nasa的双卫星范爱伦探测器进行磁结合。
第八份也是最后一份报告来自哪个国家确实不记得了，报告的项目名称为PILOT计划。此计划搭载法国天体物理和行星学院（irap）的载荷，主要探测在远红外场下粉尘放射的线性极化。载荷重1吨，飞行高度40km。第一次飞行在2015年9月在加拿大成功放飞，第二次飞行在2017年4月，地点为澳大利亚。此项目有诸多大学和科研机构参与。
第二天（2017年6月13号）
第二天关于气球的第一个报告由欧盟的ORISON项目代表人介绍关于此项目的背景和内容。ORISON项目目的既是在欧盟的H2020（欧洲最大的研究和创新项目）的大背景下，探讨应用高空气球作为研究平台的可行性。其周期为2016年2月到2017年8月。其主要动机为搭载天文领域的载荷，比如紫外近红外光谱望远镜和大型远红外望远镜。飞行基本上持续2到3天，载荷重400kg。此项目目前也在寻找有共同利益和目标的合作伙伴。
第二个报告来自于欧航局的学生项目BEXUS联合IRIS（地震学研究机构）。其旨在应用气球搭载光电二极管测量地表的漫反射。此项目动机是要是基于四点：一是目前天气改变是最大的问题。二是漫反射会强烈影响地球辐射收支。三是极地地区对于地球气候有着重要影响。四是因为微型模型目前需要发展更高的精度。基于以上四点原因，IRIS联合BEXUS学生项目，为学生提供一个应用气球探测漫反射的项目。
第三个报告来自于法国CNES，其内容为针对第一天的国家报告中Strateole-2项目，报告为此项目所研制的超压球。搭载的超压球直径分为两种尺寸，分别为11米和13米，载荷40-50kg，每次以20到25个气球进行编队飞行，计划可以持续飞行2到3个月。法国之前曾有过三个长航时气球飞行经验，分别为Strateole Vorcore项目（2005年9月和2006年2月，南极，共放飞27个气球），AMMA Driftsondes项目（2006年9月到10月，非洲）以及Concordias的先导项目（2010年2月到5月，塞舌尔岛）和正式项目（2010年9月到2011年2月份，南极，共放飞19个气球）。由于法国有着以上长航时飞行的经验，Stratole-2项目准备联合多个国家，完成热带地区的飞行。该计划打算应用20个气球进行编队飞行，在2018年11越到2019年3月进行5次试飞作为气球飞行可行性的验证，在2020年11月到2021年3月进行20次试飞，在2023年11月到2024年3越进行另外20次试飞。法国在2010年的Concordias项目之后开始了对超压球的进一步研究已完成刚高的安全性，更可靠的性能，为吊舱系统减重以及简化飞控和载荷的相关程序。其中，安全性体现在提高故障安全设计标准，可靠性体现在减少由大气环境辐射所导致的暂时性信号中段，减重方面Strateole-2和上一代Concordias在载荷重量方面均减轻了约30%。
第四个报告为关于高空行星科学的吊舱载荷系统报告。此项目背景为NRC（美国国家研究理事会，national research council）的行星十年调查项目。此项目气球所搭载的载荷种类较多，但是都以小载荷为主。预备在2020年放飞。
第五个报告为瑞典空间公司报告POGO+的情况。POGO主要为极化伽马射线观测，需要在38km往上的空间才能避开X射线的干扰，且需要2到3天的飞行时长已完成所需数据的观测。对于搭载POGO载荷所需要的气球，其体积为1120000立方米，使用Collar system释放气球，ripstitch技术减少切断和释放时的冲击，采用机械式释放系统，降落伞130英尺。POGO+的最近一次释放式在2016年7月12号3点17分，释放时天气条件等均较为理想，在浮空时间内高度变化在36473米到40573米范围内变化，于2016年7月18日21点38分结束飞行降落在维多利亚岛北部，飞行时间接近7天（162小时）。具体高度变化，压舱物释放曲线和飞行路径见图。
第三天（2017年6月14号）
第三天气球应用分会场第一个报告略为遗憾，基本上错过了，只能知道大概上是一个由一个主气球和三个小气球组成的多球系统，具体应用没有听到。
第二个报告为学生项目BEXUS，代号BEXUS 23，项目名称OSCAR，载荷主要研制基于diamond nv centers超灵敏便携3D磁强计。
第三个报告为瑞典理工大学的博士研究生做的一个关于高空气球轨迹预测的软件，包含了软件设计，验证部分的介绍。其考虑的情况较为详细，并和气球升空试验数据进行了对比验证。
第四个报告为来自比利时安特卫普大学的博士研究生做的关于项目名称为HACORD计划的报告。HACORD为高空宇宙射线探测计划，此项目同样来自欧洲学生气球项目BEXUS。此项目已于2015年10月在瑞典estrange space center搭载在高空球进行了发放。报告人在报告中主要介绍了应用有限元软件进行对载荷吊舱内的温度分析。
第五个报告为同事才晶晶的报告。主要介绍了应用探空火箭高空释放气球，下落过程充气膨胀并进行探空观测的项目，分析了在全过程中气球的温度变化情况。这是全场报告中唯一既有火箭又有气球的项目，高度契合大会主题，可惜时间关系，缺少火箭和气球的试验数据是唯一的遗憾。
第四天（2017年6月15号）
第四天关于气球的报告，我做了第一个报告，题目为气球搭载微型滑翔机高空投放。
第二个报告来自德国DLR。报告首先介绍了两年前DLR此项目组在高空气球上所投放的滑翔机。之后着重介绍了此项目组最近的工作，他们着重于设计非传统超柔性太阳能飞机。传统太阳能飞机为刚性大展弦比结构，气动弹性变形较大，也导致了多次由结构破坏引起的飞行任务的失败。此项目组因此提出使用柔性材料，促使大展弦比飞行器可以产生随风的形变并不会破坏，并且从结构上设计成多段组合的形式。由于是柔性结构，多段组合由此理论上可以使机翼变的非常长，从而提高气动性能。现在该项目组已经做出了缩比原理样机且已经进行了飞行试验。从试验视频上看，飞行较为稳定。
第三个报告来自BEXUS学生项目，主要介绍一种充气结构所搭载的天线。
第四个报告同样来自BEXUS学生项目，此项目为介绍太阳能电池的电流电压检测系统设计。
第五份报告来自瑞典空间公司（SSC），主要报告应用气球和探空火箭作为平台进行投放试验的一些项目。曾经的项目包括惠更斯探测项目（The Huygens probe）和HSFD Ⅱ项目。惠更斯项目作为卡西尼卫星土星任务的一部分，由法国CNES主导于1995年在Estrange space center完成投放测试。HSFD Ⅱ为高速飞行演示阶段，由法国和日本联合，于2003年在esrange space center完成投放测试。最近的投放项目包括日本JAXA的D-SEND#1和D-SEND#2，ERC的地球返回舱和。其中，JAXA的D-SEND#1在2011年成功投放，D-SEND#2在2013年和2015年成功投放。ERC地球返回舱是为了对以后星际探测时用以保存样本并返回的舱体做的测试。载荷重小于60kg，由三个气球分别携带三个载荷在不同高度投放。其投放时间为2015年6月和8月。未来的任务包括欧航局的HADT项目中的EXOMARS。EXOMARS是为了测试降落伞对高速下落物体的加速性能。其预备的飞行试验时间为2018年的6月到8月。
个人感想：
首先，感谢领导能批准这样一个机会，可以和欧洲的科学家一起参与讨论。对部门而言，可以把这次会议的一些关于高空气球领域的项目和想法都可以做一次较为全面的了解，同时，通过交流和沟通，向世界的同行打开大门，让他们了解中国也有自己的高空科学气球事业，并且不弱于世界上的同行。这次交流的主办方瑞典空间公司已经表示了对于未来和中国科学院合作的期待，特别是SSC的工作人员提出可以趁着部门外场试验的机会，来中国和咱们直接建立联系。在会议的最后一天，午饭时间和法国的CNES建立了很好的对话沟通，他们第一次知道中国高空气球的发展，对于咱们过去在气球领域的合作和发放情况十分感兴趣，并且也希望以后有机会建立合作关系。
对个人的收获而言，首先，在会场上碰到了上一届会议德国DLR所发的平流层投放滑翔机的论文作者。通过和他的交流，了解了平流层低温环境下对飞机控制所带来的问题，并且给出了解决的措施。并且，了解到瑞典的一个小组目前也在搞平流层投放滑翔机，其滑翔机名为smartfish，是一个类似飞鱼构型的滑翔机。并且其并没有使用诸如降落伞或者投射器等设施去使其在初始时稳定，而是直接用气球吊起来，切断绳子释放。从视频可以看到其飞行器仍能稳定下滑。此飞行器目前已经完成了高空投放的测试，试验过程可以从网上观看视频。个人认为，应用高空气球投放微型无人机是一个非常好的想法，目前来看世界上有多家机构都在试验，值得深入研究。另外一个比较感慨的是，德国DLR平流层投放无人机的小组目前开始了新的项目，此项目为设计新概念太阳能无人机。区别于传统硬式结构无人机，此项目为了解决结构大变形所带来的破化问题，从另一个角度出发，设计全新的软式组合式太阳能飞机。从视频看，其原理样机机翼在飞行时没有固定的硬式结构，而是会随风摆动。此种设计避免了结构的破坏，同时，通过设计成多段组合形式，其飞机有了更大的可变更性，可按需求叠加机翼长度。在这里不得不佩服外国人的创新精神，无论最后可行性如何，其打破常规的解决方式，值得我们学习。
最后想说一下自己这次会议的体会，首先，从这次会议上各个国家的项目来看，高空科学气球在世界范围内的应用远比其在中国的应用广泛的多。导致这一现象的根本原因是欧洲对于基础科学的重视和支持。基础科学需要花钱，并且得到的探测结果纯粹只是科研用途，并不会带来利益的相关转化。因此和基础科学相关研究探测在中国没有得到大力支持，导致我们虽然有着世界水平的气球平台，却没有可以搭载的载荷。这也许和目前中国的体制有很大关系。日本和德国之所以在这一基础领域做得好，可能恰恰是因为其战败国的身份，省下了军费开支，从而把更多的钱投入到科学研究中。其次，我们的高空气球平台和世界比水平并不差，可是这次会议上发现，许多外国相关领域的人根本就不知道中国也有自己的气球平台。这是否也跟我们国家的体制有关，总是关起门来，和世界范围的同行缺乏交流和沟通。看到邻国日本正在此领域和多个国家展开合作，真的希望在下一届的会议上，中国也可以被大会作为被邀请国，做国家项目的汇报，让世界更多的了解我们自己的工作。最后一点感受是，欧洲在探空火箭和气球的学生项目REXUS/BEXUS搞了多年，吸引了无数的学生参与到其中。学生在次项目中，可以说是自己当自己的老板，以课题组为单位，完全由学生自己制定研究的全部计划，其调研和科研能力得到最大限度的调动和提升。而不是像在学校，为老师的某个课题做研究。并且对于参与到此项目的学生，其有着诸如此大会在内的诸多做汇报演讲和交流的机会。在对未来科学家和工程师的培养上这一点上，确实比我们国家做得要更细致。