用氦气球释放并回收一个飞上“太空”的摄像机

标签：太空气球探空气球氦气

飞鱼BH1JSS 发布于 2015-04-14 13:21

飞上“太空”对于普通人来说是可望不可即的梦想，除非你是土豪。不过，看到国外很多奇葩的物件都上过“太空”比如椅子、乐高玩具、汉堡包、Hello Kitty什么的，它们其实都是用探空气球把载荷或摄像机带上几十公里高的“太空”的。我们也按耐不住了，于是在2014年的4月，我们的团队利用各种开源技术，也成功释放并回收了一个探空气球。

Step 1：准备气球和气体

你可能会说，这有什么难的？不就是放飞一个氢气球，挂上一个摄像机在高空拍摄嘛？实际上并非像你想得这么简单。为了将探空气球携带的设备舱收回（高清摄像机的视频需要收回才能取出），整个过程和发射一颗返回式卫星差不多。我们来看看“玩”这个气球，需要涉及哪些科学。

首先是气球使用的是气象探空气球，这是一种使用天然乳胶为主要原料,再配合适量配合剂加工而成。和普通的橡胶气球相比，除了体积大以外，最大的特点是膨胀率更高。例如我们使用气球，地面释放时的水平直径大约1.5米，垂直高度约2米，在高空中的爆破直径达到8-9米。越高的高空，大气压力越小，气球就会越膨胀，如果气球膨胀率低，爆炸的高度就会偏低，达不到“太空”的效果。

气体选择需要使用的是高纯度工业氦气。氦气是一种惰性气体，它会不爆炸。虽然它不是最轻的气体（密度0.1786g/L，0°C、1atm），与空气的比重是 0.14，1立方米净升力约1.115千克，氦气比氢气安全多了，一个工业氦气钢瓶的释放体积约6立方米，气球充气4立方多，剩下的氦气还可以玩玩“变声”的把戏。不过氦气的缺点就是一个字：贵！

Step 2：准备好“眼睛”—摄像机

载荷舱内的摄像机，我们使用了多个镜头，其中面对小房子的主摄像机使用的是大名鼎鼎的Gopro Hero 3+运动摄像机。这款相机的性能就不必多说了，玩极限运动的人都知道。2012年奥地利人菲利克斯·鲍姆·加特纳从39公里高空跳下，头顶就携带着一台Gopro摄像机。Gopro摄像机有密封性能很好的防水壳套件，另外，我们在防水壳中还使用了吸潮片，防止在上升穿越对流层过程中镜头前结雾。

Step 3：轨迹预测-感谢共享精神

我们之前做了充分的功课，参考了大量的论文，从中国上空气象学、大气环流、到空气动力学、高空气球热力学分析等，看得一头雾水，最后发现国外有几所大学已经建立的完善的气象气球轨迹预测模型，比如剑桥大学太空飞行实验室的这个探空气球降落预测工具：http://predict.habhub.org/，它会根据当时世界各地的气象资料，估算出气球飞行的轨迹，包括爆炸时间，降落地点等，而我们需要做的只是输入气球参数、载荷重量和降落伞下降速率等参数。最方便的是，它可以生成.kml文件，在Google Earth软件中打开，这对我们实际寻找气球非常有帮助。感谢开元精神！

剑桥大学太空飞行实验室探空气球预测工具：
http://predict.habhub.org/

Step 4：跟踪/定位装置

跟踪定位设备是保证放飞气球能够回收的关键。我们尝试了多种方案对气球路径进行跟踪。首先是无线电定位。我们使用了一种叫做APRS的无线电定位系统。APRS（Automatic Position Reporting System）是一种自动位置报告系统，通过GPS或其他方式获得当前坐标，然后调制成音频编码，使用144.64MHz的业余无线电频率进行广播发射。接收设备再通过解调，将音频编码中的坐标信息还原，就可以得到跟踪设备的位置和轨迹。在前期的试验中，我们还使用航模玩家常用的OSD（On Screen Display）设备和图像传输设备，OSD设备会在摄像机图像中叠加各种姿态、位置信息，然后通过图像传输设备发回地面，我们在观看实时视频的通知，也可以得知它的位置。除此以外，我们借鉴了国内外气球项目的经验，使用了“GPS跟踪器”这种成熟的产品。GPS跟踪器的原理是利用GSM手机通信网络，将跟踪器中的GPS坐标通过短信的形式发回到指定手机。这种设备已经商品化了，比较可靠，但是要祈祷中国移动、中国联通、中国电信的网络覆盖啦！

Step 5：准备一个降落伞

整个这个装置的结构很简单（其实越简单越好，简单才能可靠）：
在最上端是一个气球，气球的单根引线直接栓到一个降落伞的顶端，降落伞引线直接拴在载荷舱上。至于降落伞的大小，并不是凭空得出的，可以根据以上公式计算得出，我们如果希望下降速度是每秒4米的话，需要面积是0.75平方米，直径不到1米。实际我们在降落伞上顶端还开了一个孔，让下降率更高一些。资料显示，伞兵的降落伞下降最大速度是小于7米/秒，无人机伞降回收的速度也差不多是这样的，因此只要下降速度小于7米/秒，就能够保证设备的安全。下降速度快，意味着飘落的会近一点儿！

Step 6：必须要做的一些试验

用氦气球释放并回收一个飞上“太空”的摄像机，整个过程和发射一颗返回式卫星差不多，需要多个系统的协调测试。包括上面说的气球、摄像机系统、载荷舱、跟踪/定位系统和降落伞等等。

实际上，在成功之前，我们第一次放飞完全失败了。失败的重要原因就是多个系统虽然分别作了很多实验，但是由于整个团队分散在北京各处，业余时间很少有机会一起测试整个系统，放飞时准备不足，多种跟踪设备恰好同时“中奖”失灵。我们的越野车在沙地中的行驶速度远远跟不上气球飘飞的速度，最后只跟踪到了13公里就完全丢失信号了……在第二次试验中，我们尽量精简了跟踪设备，而有些可靠性高的设备，比如GPS跟踪器，做了双系统备份，保证更高的可靠性。第二次地面放飞流程和寻找的路线也事先做了优化，气球一升空，我们立刻派一辆越野车按照事先规划的路线以最快的速度前往预计降落地点。

我们曾经将所有设备放入载荷舱里，内部使用铝箔胶带屏蔽，密封好后放入冰箱-30度的冷冻室中冰冻，测试它的极限低温情况。在对流层上端，温度最低甚至达到-60度，不过到平流层以后温度就会上升了。

除了设备的低温测试，最好测试一下降落伞的下降速度，因为计算结果和实际速度还是有差距的。下降速度是预测气球漂亮轨迹的重要参数，最好实际测试一下结果。我们是使用一台多轴飞行器，把降落伞和载荷舱吊到高空释放进行测试的。

Step 7：后记

我们是在一年前（2014年4月26日）最终成功释放并回收了气球载荷舱的。当然，最后我们的成功也有很大的运气因素。在放飞后，APRS无线电设备不久就失效了，而GPS跟踪器在高空是无法发送信息的。在草原、戈壁地带，手机信号很差。我们的跟踪器还算争气，熬过了-40以下的低温，在降落前返回了4次坐标位置，然后才罢工。由于GPS跟踪器发回的坐标没有高度信息，因此不能确定是否落地，至于为什么罢工，更不得而知了。当我们狂奔130多千米，到达最后坐标位置时，看着茫茫草原，起伏的沙丘而不见红色的降落伞踪迹，几乎崩溃。正在这时，跟踪器又发回了2个信息过来，我们惊喜的发现和我们的所在位置只相差400米。当我们徒步翻过一座沙坡，看见一位牧民大叔正向我们招手……原来设备舱最后落在一个沙窝子里，刚好没有信号，而牧民大叔捡起来后，信号又恢复了！我们简直太幸运了！

Step 8：未来的改进计划

我们计划在未来的放飞试验中，使用更可靠的轨迹跟踪设备，并且多系统备份。载荷舱设计成可返回的流线型滑翔机外形，通过飞行控制系统和自动驾驶仪在指定位置降落等。这样就可以根据需求搭载各种载荷，并且方便的释放和回收了！

Step 9：几个与安全有关的问题：选择地点、避开航线

选择一个安全的放飞地点很重要，要释放一个飞上平流层的探空气球，并让它降落在一个安全、容易找到地方。我们可以使用上面说到的剑桥大学太空飞行实验室的气球预测工具进行规划。不过在我国，这样的地方并不好找，因为我们处在中纬度西风带上，而东部沿海地区都是人口稠密的城镇，气球掉到那里无论是否有没有降落伞都很危险，还有可能被好奇的人拣走。因此选择人烟稀少、尽量偏西部的地区可以减少麻烦，比如西北隔壁、草原地区。

另外要注意避开附近的机场与航线。尽量远离大型机场和有民用航线经过的地方。

最后，需要提示大家的是，根据《中华人民共和国飞行基本规则》第二十七条：升放无人驾驶航空自由气球或者可能影响飞行安全的系留气球，须经有关飞行管制部门批准。具体管理办法由国务院、中央军事委员会空中交通管制委员会会同国务院民用航空主管部门、中国人民解放军空军拟定，报国务院、中央军事委员会批准实施。

具体的气球放飞规定，可以参看《通用航空飞行管制条例》第五章：升放和系留气球的规定。