李一健 黃宛寧 張冬輝 張航悅
中國科學院空天信息創新研究院
(續前)
20 世紀60 年代末，國外在高空科學氣球上的紅外天文觀測獲得成功，給天文觀測提供了一種新的運載工具，促進了紅外天文觀測的興起。我國空間紅外天文學起步較晚，到20 世紀70 年代末才與我國高空科學氣球同步發展起來。
4.1 10 cm 紅外球載太陽望遠鏡
1978 年初，上海天文台開始了遠紅外天文觀測工作，計劃以太陽遠紅外輻射為觀測對象、逐步發展球載紅外觀測技術。
1982 年9 月中國科學院上海天文台在河北省香河地區發放了一個由3 萬立方米氣球攜帶的紅外Ⅰ型望遠鏡觀測設備，進行了我國的首次高空遠紅外觀測。該設備是一個專用於太陽觀測的牛頓式球載望遠鏡，口徑為15 厘米，測得了太陽在4.6 μm和18 μm波長的紅外輻射，初步算得在觀測波段(峰值波長18 微米)的太陽亮度溫度值為4685±136 k。這是我國第一次進行的空間指向天文觀測，為研究太陽的光球負氫離子的丰度、研究太陽的結構及對日地關係的研究提供了依據。該項成果獲得了中國科學院科技進步二等獎。
圖16 紅外球載太陽望遠鏡
太陽觀測成功之後，上海天文台考慮將觀測目標轉移到恆星，進行大視場的銀道面巡天觀測。在1984 年底開展了對紅外Ⅰ型球載望遠鏡的改裝升級工作，改裝成快速掃描系統，並採用硅光二極體作為探測器。
改進後的紅外球載望遠鏡先是在地面觀測木星進行模擬觀測，後在1985 年夏天到香河進行了球載觀測，開始對木星和銀河系中心進行掃描觀測，並成功地接收到銀河中心的近紅外輻射，觀測到了天蠍a 等恆星和銀道面的近紅外輻射。該項成果獲得了1987 年中國科學院科技進步三等獎。
4.2 雙筒紅外球載快掃描望遠鏡
在1985 年觀測的基礎上，上海天文台重新設計了一台紅外球載快掃描望遠鏡，計劃用來觀測銀道面和銀心區的近紅外及遠紅外輻射。這是一個口徑均為10 cm的雙筒望遠鏡，一筒鏡用近紅外的硅光電二極體作探測器，另一筒鏡用作遠紅外觀測。為了提高遠紅外光度計的靈敏度，還採用了液氨致冷的冷光學系統和鍺測輻射熱探測器。
圖17 雙筒紅外球載快掃描望遠鏡
1987 年完成整個系統，並於8 月3 日首次在中日合作高空氣球越洋航線上實現飛行，平飛高度32 km，飛行10 小時。由於遙控指令接收機故障，無法進行天文觀測，但獲得某些有用的飛行工程數據。
1988 年8 月16 日，紅外球載快掃描望遠鏡由b30-c7 氣球搭載飛行，氣球高度32 km，歷經10 小時飛行，觀測了13 顆晚型星及三顆大行星(木星、火星和土星)，這是我國首次用球載望遠鏡成功進行的恆星紅外觀測。
4.3 30 cm 球載紅外望遠鏡
為了適應我國紅外天文觀測的需要，1986 年中國科學院紫金山天文台和天文儀器廠合作，並由西北工業大學、高能所、大氣所等單位協作，開發研製了30 cm球載紅外望遠鏡，適用於遠紅外點源觀測。採用液氦製冷，以及偏置導星觀測方式，1986~1988 年間觀測到塞弗特星系的紅外輻射等。
圖18 30 cm球載紅外望遠鏡
5.1 中日合作開展越洋氣球飛行計劃
1985 年，中國科學院批准中日合作開展越洋氣球飛行計劃，為期三年。中國科學院與日本宇宙科學研究所簽署了「中日合作高空氣球越洋飛行觀測協議書」。日方參加合作的是宇宙科學研究所的氣球組，中方參加的則是上海天文台、紫金山天文台和中國科學院空間中心。從日本鹿兒島到中國東部地區的高空氣球航線，是不經過第三國的北半球中緯度地區不可多得的越洋飛行航線。
由於中日兩國科學家的合作和努力，在1986~1988 三年內共進行過七次成功的飛行。1986 年是合作的第一年，前兩次主要以工程試飛為主，第二次已帶有簡單的實驗，一個正比計數器和兩塊cr-39。1986 年7 月25 日中日遠洋合作b5c1科學氣球飛行，7 月30 日b5c3科學氣球飛行。兩次飛行成功，意味著開闢了從鹿兒島跨越東海到長江下游的飛行航線，對中日雙方開展各種空間科學觀測，具有重要意義。以後五次分別是：銀河平面和銀心的紅外觀測兩次實驗；射線源雙星的時間變數觀測一次；氣溶膠以及同溫層中的氧化氮測量一次；疊層乳膠艙，探測銀河系中原始宇宙線電子，能量範圍為30~1000 gev一次。
圖19 1986 年2 次越洋氣球飛行軌跡
圖20 1987 年2 次越洋氣球飛行軌跡
圖21 1988 年3 次越洋氣球飛行軌跡
由上海天文台、紫金山天文台以及空間中心主導的中日跨海長距離氣球飛行在1986 年至1988 年的7 次飛行中獲得對天鵝座x-1 高能x 射線能譜、塞弗特星系sco-α1 的紅外輻射以及測量了太陽紅外亮度溫度。
七次飛行的氣球工程參數列於表2。
表2 從日本到中國的氣球越洋飛行
5.2 中蘇長時間氣球飛行合作
1989~1991 年，中國科學院高能所與蘇聯列別捷夫研究所開展中蘇長時間氣球飛行合作，利用盛夏穩定的平流層東風環流沿北緯41 度線從中國內蒙古飛到蘇聯境內的裏海東岸，飛行持續時間可達70~100 小時，這是全球最理想的一條長距離飛行路線。
1990 年8 月5 日，氣球從香河發放升空，經過70小時的飛行，行程4200 公里，在蘇聯塔什干附近降落。氣球使用的球體是蘇制18 萬立方米氣球，載荷有0.5 平方米的乳膠室cr-39 塑料徑跡探測器和植物種子樣品，吊艙總重1000 kg。飛行中採用了cospas衛星定位系統，通過中蘇民航aftn電傳網進行飛行協調。
1991 年氣球發放地點移至錦州，7 月24 日進行了第一次飛行，氣球仍採用蘇制18 萬立方米球，吊艙重1300 kg，總浮力2250 kg，飛行高度32.5 km，飛行時長72 小時，主載荷是列寧格勒技術物理所的火花室譜儀。
圖22 列寧格勒技術物理所的火花室譜儀
後續中蘇開展進一步合作，1991 年高能所為蘇聯列別捷夫物理所研製了2 個60 萬立方米高空氣球，將用於其火星計劃的高空測試，作為對等條件，蘇方則為我方提供了重型卡瑪茲越野卡車和2 組工作壓力為300 大氣壓的大型氫氣儲氣排，同時配套了一台車載式高壓氫氣壓縮機。1992 年，高能所氣球組派人參加首個60 萬立方米氣球試驗。
圖23 60 萬立方氣球飛行試驗
中蘇長時間氣球飛行合作兩次飛行成功實現了北半球距離最長的氣球飛行航線，成功開展了宇宙反質子探測、初級宇宙線和高能核-核作用等研究。
5.3 atic 與悟空號
中國科學院紫金山天文台21 世紀初參加美國南極氣球宇宙線探測項目atic，為後來的暗物質衛星dampe立項打下了堅實的基礎。
先進薄型粒子量能器atic於1997 年由美國提出，計劃在南極開展高空宇宙射線的觀測。中國科學院紫金山天文台常進等建議同時觀測高能電子能譜，並於1998 年加入項目組。
圖24 atic、悟空號與常進院士
自2000~2007 年，atic 共進行了4 次飛行，其中3 次獲得成功，共進行了56 天的觀測。常進藉助atic氣球試驗觀測結果發現了一種觀測高能電子和伽馬射線的建設方法，2008 年以常進作為第一作者的論文《宇宙電子在300~800 gev能量區間發現「超」》發表在nature。有了atic 高空科學氣球的試驗驗證，2011 年底，暗物質粒子探測衛星項目被正式列入中國科學院空間科學先導專項。2015 年12 月17 日，「悟空」號發射成功。
一期工程結束後，科學氣球一方面投入運行，服務於多學科研究，同時繼續發展大型氣球提升能力。
中國科學院高能所在發展大型氣球提升能力上取得眾多進展：
(1) 1985 年啟動並建設了氣球生產車間(長150米，寬8 米)；
(2) 1986 年建成並啟用了147 米長的超大型氣球生產線及加強帶生產線，以及開展了氣球形狀的理論研究，通過計算找到了優於傳統的「自然型」氣球的另一種球型，取名為「混合型」氣球；
(3) 1989 年研製了動態發放系統，主要包括滾筒裝置和動態發放車，能夠更好配合已有10 萬、20 萬和30 萬立方米氣球的發放；
(4) 1995 年8 月份經嚴格論證後，實施中國科學院高空科學氣球氣球系統改造工程，針對大型氣球吊艙動態發放車、測控跟蹤系統以及其他配套設施進行了改造，在1997 年上半年基本完成改造項目；
(5) 1997 年高能所氣球組在姜魯華領導下開始研製40 萬立方米高空氣球，並於1998 年飛行獲得成功，載荷重量超過1.5 噸，高度達40 公里。40 萬立方米高空氣球研製成功，使得我國成為繼美國和法國之後，世界上第三個能夠自己設計、研製和發放體積達到40 萬立方米的大型氣球的國家。
隨著大型氣球能力提升，艾國祥院士在中國科學院的資助下，1994 年決心啟動大型球載太陽望遠鏡工程(bst)，後國家自然科學基金委員會(nsfc)也進行了資助。該工程的科學目標是接近衍射極限的0.2 角秒解析度的觀測，對太陽物理如磁元的精細結構、太陽活動區與耀斑的能量活動機制及太陽大氣結構等方面開展研究。
2005 年以後，氣球組工作轉到專業發展條件更適宜的中國科學院光電研究院(現中國科學院空天信息院)，不斷發展取得新的成績。2010 年後建設了新的大型氣球生產線，在內蒙古四子王旗建立了綜合氣球實驗基地。
圖25 國家天文台臨近空間天文台地面測試(a)和發放升空前(b)
2018 年，中國科學院空天信息創新研究院實施的鴻鵠專項正式啟動。「鴻鵠專項」聚焦臨近空間實驗平台能力提升，旨在加強臨近空間環境和生態系統認知，目標建成我國首個臨近空間科學實驗系統，引領臨近空間科學研究，提升臨近空間開發利用水平，是我國首個聚焦臨近空間領域的大型科學計劃。
在鴻鵠先導專項的支持下，以中國科學院雲南天文台林雋團隊的日冕觀測課題「日冕儀臨近空間搭載實驗」需求為牽引，中國科學院空天院浮空器研究中心與中國科學院西光所等兄弟單位聯合研製了基於高空科學氣球的臨近空間天文台。課題的主要任務是研發50 mm口徑的折射式日冕儀，工作波長為5500 Å，濾光片透過帶寬度為50~100 Å，具備對白光日冕進行偏振觀測的能力。2022 年10 月4 日該臨近空間天文台發放成功，飛行高度30 km。
圖26 搭載日冕儀臨近空間整體結構和實物圖
在鴻鵠專項的牽引下，中國科學院空天信息創新研究院已經成功研製出適用於臨近空間天文台姿態控制的中型吊艙方位控制系統。該系統適用於700 kg 以下(轉動慣量100~160 kg·m2)吊艙，能夠給搭載的載荷提供長時間(2h)穩定精度≤0.5°，短時間(15 min)穩定精度≤0.2°的方位控制。
圖27 中型吊艙姿態控制整體方案
中國科學院鴻鵠專項「臨近空間對太陽風暴響應特徵觀測研究」科學任務也使用了帶有空天院研製吊艙方位姿態系統的臨近空間天文台。該任務的研究對象是：臨近空間對太陽風暴的響應。
圖28 鴻鵠專項臨近空間天文台
2022 年9 月，該臨近空間天文台成功獲取了一個a 級太陽耀斑事件期間的太陽紫外光譜輻射數據，揭示了在臨近空間高度上的太陽紫外輻射光譜(190~400 nm)變化特徵，並給出了臨近空間對太陽耀斑紫外(190~400 nm)輻射增強響應的模擬結果。
在鴻鵠專項的支持下，開展了臨近空間大氣紫外背景與波動觀測驗證實驗。成功獲取了25~30km高度，不同太陽天頂角、不同方位、不同俯仰的大氣紫外光譜特徵、太陽高能電磁輻射特徵。
圖29 紫外光譜儀獲得20~31 km紫外大氣散射背景數據以及30 km高度多波段氣輝成像實驗
我國在重載型高空氣球方面，也取得重大進展。
2023 年，中國科學院空天信息創新研究院設計並研製了一款100 萬m3重載高空科學氣球系統，包括具備相應發放能力的重載型發放車，可以將3.6 t的載荷送入37 km的高空，這使得我國成為全世界第二個具備百萬量級高空氣球研製能力的國家，也意味著以此為基礎的臨近空間天文台可以搭載更多更重的觀測儀器設備，一次觀測可獲取更多的研究成果。
圖30 中國科學院空天院研製的基於100 萬m3重載氣球的臨近空間天文台概念圖
圖31 重載型高空氣球發放車
高空科學氣球是目前性價比最高的成熟臨近空間飛行平台，在我國早期天文觀測發展中發揮了重要作用，取得了眾多重大科研成果，有力地推動我國科技創新發展。
在新時代下，隨著長航時技術和高精度穩定指向技術的突破，高空科學氣球平台可以再次有力支持我國天文觀測事業的發展。高空科學氣球平台可以作為空間科學天文觀測先進儀器和創新思想的前期驗證平台，促進新一代尖端科學探測技術的發展，成為航天器/天基天文台的重要技術儲備源頭，能夠有效提高天基天文台觀測任務的成功率和加快天基天文台研發生命周期；同時也可以作為空間科學人才培養平台，可以成為空間科學家和工程師的搖籃，可以培育更多領軍人才，壯大研究隊伍。
回顧我國氣球科學天文觀測歷程，期望我國氣球科學觀測事業行穩致遠，助力我國向科技強國的目標邁進。
圖32 何澤慧為氣球會議文集題詞
本文選自《現代物理知識》2025年5期ywa編輯
《現代物理知識》
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