0 引言

　　天文臺是專門進行天文學(xué)研究的重要機構(gòu)，其選址好壞直接影響觀測質(zhì)量，只有將觀測儀器安置在具有觀測優(yōu)勢的特定位置，才能充分發(fā)揮效用，獲得最大科學(xué)產(chǎn)出。

　　常規(guī)天文臺多選址于高原，因為地球被大氣包裹，基于地面的天文觀測會受到大氣中各類物質(zhì)影響，大氣層對天體輻射的吸收和散射會削弱其強度并改變能譜。大氣中氮、氧、臭氧對短波輻射的吸收，使天文臺難接收波長較小的天體輻射，紅外輻射則會被大氣中的水氣、二氧化碳和臭氧強烈吸收，同時大氣的湍流運動還會影響光學(xué)成像質(zhì)量。由于地球大氣密度隨高度指數(shù)減小，大氣消光作用主要集中在下層，所以世界各地的天文臺大多選擇建在海拔較高的山峰上。

　　還有一類天文臺選址于地球衛(wèi)星軌道，利用火箭將搭載望遠鏡等設(shè)備的衛(wèi)星發(fā)送到太空，這類天文臺常被稱為天基天文臺或空間天文臺。天基天文臺運行在地球大氣層上、宇宙空間中，既沒有大氣散射干擾，還能觀測到容易被大氣吸收的宇宙射線，因此在觀測上具有比地基天文臺更高的觀測精度、更寬的觀測頻譜和更大的觀測窗口。

　　1970 年美國和歐洲航天局發(fā)起大型軌道天文臺計劃，將哈勃空間望遠鏡、錢德拉 X 射線天文臺、斯皮策空間望遠鏡和康普頓 γ 射線天文臺送入太空，這四臺空間天文臺分別工作在可見光和紫外線、γ 射線及硬 X 射線、軟 X 射線和紅外線，覆蓋電磁波全頻段，使人類跨入 “全波段天文學(xué)” 時代。世界多國還發(fā)射了宇宙背景探測器、普朗克衛(wèi)星等約 120 多顆天文衛(wèi)星，取得的一系列重要成果極大推進了多波段天文學(xué)的發(fā)展。當(dāng)眾多天基天文臺成功運行并取得重要發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家們開始構(gòu)思下一代更強大的天基天文臺。2021 年美國國家科學(xué)院發(fā)布最新《十年調(diào)查》，宣布啟動新一代大型軌道天文臺計劃，新一代旗艦型天基天文臺有哈勃太空望遠鏡繼任者詹姆斯韋伯空間望遠鏡以及南希–格雷斯–羅曼太空望遠鏡。

　　中國為推動空間科學(xué)發(fā)展，于 2011 年由中國科學(xué)院啟動實施空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項。空間先導(dǎo)專項一期成功實施兩個天基天文臺計劃：2015 年發(fā)射暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星悟空號，2017 年發(fā)射硬 X 射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星慧眼號。戰(zhàn)略先導(dǎo)二期成功實施三個天基天文臺計劃：2020 年發(fā)射引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器衛(wèi)星懷柔一號;2022 年發(fā)射先進天基太陽天文臺夸父一號;2024 年發(fā)射愛因斯坦探針衛(wèi)星。這些天基天文臺的成功發(fā)射、運行及取得的成果，標(biāo)志著中國開始步入天基天文臺時代。

　　由于復(fù)雜科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)及更具挑戰(zhàn)性天文觀測的需要，空間科學(xué)研究任務(wù)穩(wěn)步增長。天基天文臺需要大型科學(xué)儀器長時間運行于復(fù)雜空間環(huán)境中，技術(shù)難度高，在軌運行后幾乎難以維修，故對可靠性要求高，從創(chuàng)新概念提出到工程研制、火箭發(fā)射、科學(xué)運行到取得科學(xué)成果，周期較長。因此很多著名天基天文計劃前期都引入臨近天文臺開展臨近空間飛行試驗驗證，并取得較好效果。隨著氣球浮空器平臺不斷發(fā)展，基于高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺逐漸成熟完備，其承擔(dān)天基天文臺載荷前期驗證的潛力不斷被發(fā)掘。

　　根據(jù)以天文觀測任務(wù)驅(qū)動為主線的基于高空科學(xué)氣球臨近空間天文臺的研究現(xiàn)狀，本文分析制約臨近空間天文臺發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)及最新研究進展與應(yīng)用，對其發(fā)展趨勢進行展望，以推進中國臨近空間天文臺的深入研究。

　　1 臨近空間天文臺

　　臨近空間天文臺是一種特殊的天文臺，工作在臨近空間，臨近空間一般指距地面 20～100km 的空間區(qū)域，該區(qū)域常規(guī)飛機飛不上去，衛(wèi)星下不來，是跨接航空和航天的新領(lǐng)域。目前，高空科學(xué)氣球是為數(shù)不多能夠在臨近空間長期可靠運行的飛行平臺，因此臨近空間天文臺主要依托于高空科學(xué)氣球浮空器平臺。

　　高空科學(xué)氣球是利用大氣浮力抵御地球引力的浮空飛行器。1912 年奧地利物理學(xué)家 Victor Francis Hess 通過氣球搭載在高空做實驗發(fā)現(xiàn)宇宙線存在，這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎，由此氣球與科學(xué)結(jié)緣，打開利用氣球進行空間科學(xué)研究的大門。

　　19 世紀(jì) 50 年代，高分子材料技術(shù)快速發(fā)展。1950 年美國工程師 Otto Winzen 發(fā)明使用加強帶將聚乙烯材料密封的工藝，輕薄廉價的聚乙烯薄膜用于氣球制造，使球膜重量從 300g・m² 降低到約 20g・m²，這一進展極大降低高空科學(xué)氣球球膜重量。

　　美國國家航空航天局、法國空間研究中心、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)等持續(xù)對科學(xué)氣球研發(fā)投入，使用高空科學(xué)氣球平臺進行大量飛行試驗，取得可觀科研成果。

　　作為成熟的臨近空間飛行平臺，高空科學(xué)氣球系統(tǒng)包括且不限于以下子系統(tǒng)：氣球球體及降落傘等系統(tǒng);升空發(fā)放、搜尋回收和運輸?shù)仍O(shè)施及指揮系統(tǒng);氣球吊艙能源循環(huán)系統(tǒng);定位、姿態(tài)控制、浮力控制等控制系統(tǒng);視距或衛(wèi)星中繼測控數(shù)傳、電子學(xué)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng);載荷系統(tǒng)。

　　目前，基于高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺工作高度能達到距離地面 35～45km 的大氣頂端，此處大氣密度為地面的 1%～0.1%，非常接近外空間環(huán)境。臨近空間天文臺載重量大，可達 1～3t，有效載荷占比可達 80%，試驗成本一般為百萬至千萬量級一次。平臺設(shè)備可通過降落傘回收重復(fù)使用，實驗靈活，周期短。

　　綜上所述，基于高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺具有發(fā)放使用費用低、準(zhǔn)備周期短、載重大、可回收多次利用、具有較多飛行機會等優(yōu)點和應(yīng)用潛力。

　　2 臨近空間天文臺發(fā)展現(xiàn)狀

　　臨近空間天文臺依托于氣球浮空器平臺，這里以天文觀測任務(wù)和氣球浮空器平臺技術(shù)為主線，分析國內(nèi)外臨近空間天文臺的發(fā)展現(xiàn)狀。

　　2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

　　國外的臨近空間天文臺研究起步較早。早在 20 世紀(jì) 60 年代美國就規(guī)劃了觀星計劃，計劃將兩名航天員和一架望遠鏡用高空氣球送入 25km 的高空觀察恒星。1957 年美國首次使用 Stratoscope I 氣球平臺攜帶球載望遠鏡升空觀測，獲得具有高分辨率和細節(jié)的太陽米粒組織圖像。這次成功使美國普林斯頓大學(xué)升級原裝置，建造了 Stratoscope II 氣球平臺，其目標(biāo)是拍攝行星和恒星星云。1963 年 3 月這架被視為哈勃太空望遠鏡前身的 Stratoscope II 成功升空。這兩次氣球平臺的試驗，使人們發(fā)現(xiàn)了其巨大潛能。

　　挑戰(zhàn)者號航天飛機失事后，原計劃借助天基天文臺的科學(xué)觀測項目轉(zhuǎn)為希望借助臨近空間天文臺實現(xiàn)，對于臨近空間天文臺發(fā)展的需求更加迫切。1986 年美國 NASA 提出基于高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺的全面研究與發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，并于 1989 年啟動了長時氣球工程，計劃開發(fā)一個能在南極長時飛行的臨近空間平臺。該平臺采用零壓氣球，具體指標(biāo)為：承載的有效科學(xué)載荷重量大約 900kg，飛行時間不低于三周，飛行高度大于 30km。1990 年初 NASA 開始了 LDB 飛行試驗，到 1994 年基本完成目標(biāo)。

　　為獲取更長飛行時間，開拓中緯度飛行能力，美國 NASA 在 1994 年啟動長時氣球飛行器計劃，重點突破方向是氣球薄膜性能改進。其目標(biāo)是建造一個飛行時間接近 25d、承載 1.3t 有效科學(xué)載荷、飛行高度可達 39km 的氣球飛行平臺。該計劃采用新型過壓氣球結(jié)構(gòu)設(shè)計，使氣球具備承擔(dān)一定內(nèi)外壓差的能力;使用氣球薄膜材料 EVAR 能夠降低球體內(nèi)晝夜溫度變化程度，進而降低晝夜飛行高度變化。

　　為進一步推動高空科學(xué)氣球發(fā)展，促進大型科學(xué)家群體進行世界級科學(xué)研究，美國于 20 世紀(jì)末同步啟動兩個大型天文觀測計劃：超長時間氣球計劃和南極氣球天文計劃。

　　超長時間氣球計劃致力于發(fā)展大型超壓氣球，采用更高的超壓壓力、新型材料和結(jié)構(gòu)，達到更優(yōu)越飛行性能。該氣球設(shè)計目標(biāo)為體積 73.6×10⁴m³，飛行高度 35km，載重 2t，飛行時長 100d。該計劃標(biāo)志性成功是 2013 年超級超鐵銀河元素記錄儀計劃，其實現(xiàn)繞南極飛行 3 圈 55 天。

　　南極氣球天文計劃面向全世界征集大量氣球天文任務(wù)建議，最后形成約 20 多個具有原創(chuàng)科學(xué)思想和新一代尖端儀器研發(fā)的項目。南極氣球天文計劃分為非粒子和粒子天體物理兩部分。

　　非粒子天體物理包含大爆炸宇宙學(xué)、X 和 γ 射線源、系外行星 / 宇宙生物學(xué)等三個方向。粒子天體物理分為宇宙線起源和加速、中微子天文、暗物質(zhì) / 反物質(zhì)三個方向。

　　NASA 在開發(fā)超長航時氣球平臺同時，也啟動對于超高空氣球平臺的研究。美國 NASA 開發(fā)一個體積近 170×10⁴m³ 的零壓氣球，并于 2002 年夏季發(fā)放升空，這是迄今為止成功飛行過的最大氣球，其飛行高度達到了 49km。超高空氣球平臺提供將中等有效載荷(250～750kg)放置在接近外空間高度段(47～50km)的機會，這對于進行低能量宇宙射線電子觀測以及其他需要超高海拔以方便收集純凈數(shù)據(jù)的學(xué)科來說具有重要意義。超高空氣球平臺的一個重要優(yōu)勢是其相對較大的氦氣容積導(dǎo)致晝夜飛行中的夜間有相對較小的熱量交換過程，因而預(yù)計其有能力在很少使用或不使用壓載物的情況下連續(xù)穿越多個晝夜周期。

　　國際上還有一些比較著名的臨近空間天文臺計劃，例如德國的日出 SUNRISE 計劃和日本的風(fēng)神 FUJIN 計劃。日出 SUNRISE 是由德國馬克斯–普朗克學(xué)院牽頭的太陽觀測項目，分別于 2006 年 6 月、2013 年 6 月、2022 年 7 月進行了三次飛行實驗。望遠鏡對日面中心的寧靜區(qū)進行多波段成像觀測，前兩次球載任務(wù)都獲得詳實科學(xué)數(shù)據(jù)和豐富科學(xué)產(chǎn)出，第三次飛行實驗由于望遠鏡無法對準(zhǔn)太陽，無法獲得觀測數(shù)據(jù)。日本風(fēng)神 FUJIN 任務(wù)是在臨近空間使用大口徑望遠鏡對行星進行光學(xué)觀測，旨在揭示行星大氣現(xiàn)象的機制，通過在紫外線到近紅外區(qū)域以高空間分辨率拍攝特定波長的圖像。到目前為止，風(fēng)神有兩次計劃。風(fēng)神 1 任務(wù)目標(biāo)是進行高精度金星觀測，2013 年 5 月由于惡劣天氣條件和總線系統(tǒng)故障，飛行失敗。風(fēng)神二任務(wù)是對木星和金星進行觀測，飛行實驗正在積極籌備中。

　　綜上所述，國外著名空間科研機構(gòu)均非常重視基于高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺的天文觀測應(yīng)用，在臨近空間高度開展大量飛行試驗，特別是利用南極特殊地理條件，開展大量長航時飛行試驗，取得大量科學(xué)成果。

　　2.2 中國發(fā)展現(xiàn)狀

　　中國科學(xué)院高能物理研究所在 1977 年全國自然科學(xué)學(xué)科規(guī)劃會議上提出發(fā)展高空科學(xué)氣球的倡議，并于 1978 年正式啟動高空科學(xué)氣球系統(tǒng)第一期工程，其主要任務(wù)是進行氣球觀測平臺的設(shè)計、制造與控制，以及確保成功進行相關(guān)科學(xué)觀測活動。1984 年中國科學(xué)院基本建成完整的科學(xué)氣球系統(tǒng)，包括 (1～5)×10⁴m³ 氣球系列及發(fā)放、測控、姿控、氣象、回收等完整系統(tǒng)，該系列氣球飛行高度可達 35km，載荷能力可達 450kg，共發(fā)放氣球 50 余次，并同步開展初級宇宙線重核成分測量、太陽紅外亮度溫度測量、宇宙線高能粒子核作用研究、γ 射線本底測量和感生的中子本底測量、蟹狀星云脈沖星觀測等科學(xué)觀測任務(wù)。1985 年中國科學(xué)院批準(zhǔn)中日合作開展越洋氣球飛行計劃，為期三年。由中國科學(xué)院上海天文臺、紫金山天文臺及空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心主導(dǎo)的中日跨海長距離氣球飛行取得成功，1986-1988 年的 7 次飛行中獲得天鵝座 X-1 高能 X 射線能譜、塞弗特星系 SCO-α1 紅外輻射及測量太陽紅外亮度溫度。

　　中國科學(xué)院高能所從 1980 年初開始開展 HAPI 系列球載探測器試驗，于 1984-1993 年進行 HAPI-1～4 球載飛行試驗，成功開展基于高空科學(xué)氣球的對脈沖中子星硬 X 射線以及 γ 射線背景的觀測實驗，取得豐富科研成果。這些氣球飛行實驗成果驗證直接解調(diào)成像方法的有效性，成功促成硬 X 射線調(diào)制望遠鏡(慧眼 HXMT)衛(wèi)星立項。中國科學(xué)院紫金山天文臺于本世紀(jì)初參加美國南極氣球宇宙線探測項目 ATIC，這為后來的暗物質(zhì)衛(wèi)星 DAMPE 立項打下堅實基礎(chǔ)。

　　1994 年在中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會資助下，大型球載太陽望遠鏡工程啟動，該工程科學(xué)目標(biāo)是實現(xiàn)接近衍射極限的 0.2″分辨率的觀測，對太陽物理例如磁元的精細結(jié)構(gòu)、太陽活動區(qū)與耀斑的能量活動機制及太陽大氣結(jié)構(gòu)等方面開展研究。

　　2018 年，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)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臺能力提升，旨在加強臨近空間環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)知，目標(biāo)為建成中國首個臨近空間科學(xué)實驗系統(tǒng)，引領(lǐng)臨近空間科學(xué)研究，提升臨近空間開發(fā)利用水平，是中國首個聚焦臨近空間領(lǐng)域的大型科學(xué)計劃。

　　在鴻鵠先導(dǎo)專項支持下，以中國科學(xué)院云南天文臺的日冕觀測課題 “日冕儀臨近空間搭載實驗” 需求為牽引，中國科學(xué)院空天院浮空器研究中心與中國科學(xué)院西光所等單位聯(lián)合研制基于高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺。該課題主要任務(wù)是研發(fā) 50mm 口徑的折射式日冕儀，其工作波長為 5500Å，濾光片透過帶寬度為 50～100Å，具備對白光日冕進行偏振觀測的能力。2022 年 10 月 4 日該臨近空間天文臺發(fā)放成功，飛行高度 30km。

　　在鴻鵠專項牽引下，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院成功研制出適用于臨近空間天文臺姿態(tài)控制的中型吊艙方位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于重量在 700kg 以下(轉(zhuǎn)動慣量 100～160kg・m²)的吊艙，能夠給搭載的載荷提供長時間(2h)穩(wěn)定精度≤0.5°，短時間(15min)穩(wěn)定精度≤0.2° 的方位控制。中國科學(xué)院鴻鵠專項 “臨近空間對太陽風(fēng)暴響應(yīng)特征觀測研究” 科學(xué)任務(wù)也使用帶有空天院研制吊艙方位姿態(tài)系統(tǒng)的臨近空間天文臺。該任務(wù)研究對象是臨近空間對太陽風(fēng)暴的響應(yīng)。2022 年 9 月，該臨近空間天文臺成功獲取一個 A 級太陽耀斑事件期間的太陽紫外光譜輻射數(shù)據(jù)，揭示在臨近空間高度上的太陽紫外輻射光譜(190～400nm)變化特征，并給出臨近空間對太陽耀斑紫外(190～400nm)輻射增強響應(yīng)的模擬結(jié)果。

　　中國在重載型臨近空間天文臺方面也取得重大進展。2022 年 9 月 30 日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院在青海使用 1.8×10⁵m³ 的高空氣球完成載重能力 1.2t、飛行高度 30km 的重載高空氣球飛行演示驗證試驗，此次試驗是中國近年來搭載重量最重的高空氣球飛行試驗，標(biāo)志著中國重載型臨近空間天文臺研制取得階段性成功。

　　2023 年，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院設(shè)計并研制一款基于 10⁶m³ 重載高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺，可以將 3.6t 的載荷送入 37km 的高空。重載氣球的成功研制是重要科研突破，使得我國成為全世界第二個具備百萬量級高空氣球研制能力的國家，也意味著以此為基礎(chǔ)的臨近空間天文臺可以搭載更多更重的觀測儀器設(shè)備，一次觀測可獲取更多研究成果。

　　綜上所述，中國較早建成高空科學(xué)氣球系統(tǒng)，具備較好的臨近空間天文臺技術(shù)基礎(chǔ)，早期曾開展較多天文觀測活動，近些年在中國科學(xué)院鴻鵠專項牽引下臨近空間天文臺技術(shù)有進一步發(fā)展。

　　3 臨近空間天文臺關(guān)鍵技術(shù)

　　臨近空間天文臺在往高可靠性、高穩(wěn)定性和高精度控制方向進一步發(fā)展過程中，需要突破兩個關(guān)鍵技術(shù)，即長航時飛行技術(shù)和高精度穩(wěn)定指向技術(shù)。長航時飛行可讓臨近空間天文臺飛行更長時間，一次飛行獲取更多科研成果。高精度穩(wěn)定指向能讓搭載的天文觀測設(shè)備獲得更穩(wěn)定觀測環(huán)境，實現(xiàn)角秒級精度穩(wěn)定指向，可觀測超遠距離行星星云等目標(biāo)。美國 NASA 氣球項目辦公室主任 Debbie Fairbrother 也曾表示臨近空間天文臺發(fā)展未來方向有兩個，一個是長航時飛行，另一個是高精度穩(wěn)定指向。

　　3.1 長航時飛行技術(shù)

　　長航時飛行技術(shù)正在通過超壓氣球?qū)崿F(xiàn)。零壓氣球是開放式結(jié)構(gòu)，帶有排氣管，會因晝夜溫差變化導(dǎo)致氣體損失而使飛行高度有較大變化，故工作時間受限。

　　超壓氣球采用全新結(jié)構(gòu)設(shè)計，移除排氣管，球體全封閉，使用高強度薄膜材料。超壓氣球白天受光照導(dǎo)致球內(nèi)氣體溫度升高，球體封閉不排出氣體，飄飛過程中由球膜承受球體內(nèi)外壓差。這種設(shè)計可避免晝夜溫差導(dǎo)致的浮力損失，從而實現(xiàn)長時間滯空，并且飛行高度穩(wěn)定，更有利于天文觀測成果產(chǎn)出。超壓氣球現(xiàn)階段比較成熟的結(jié)構(gòu)是球膜–加強筋一體的結(jié)構(gòu)形式：加強筋安裝于相鄰兩幅球膜的焊縫處，其長度相較于球膜先出現(xiàn)斷裂，也證明了在這種一體化結(jié)構(gòu)中，原本由球膜所承受的應(yīng)力實際上大幅度地轉(zhuǎn)移到了加強筋上。既要做到較小的質(zhì)量，又要保證足夠的強度，加強筋材料性能成為超壓氣球設(shè)計制造的限制因素之一。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，球膜和加強筋的性能在不斷改善。同時由于設(shè)計和加工的原因，超壓氣球中加強筋和球膜的接觸受力是比較復(fù)雜的，球成型膨脹過程中容易出現(xiàn)筋膜拉扯效應(yīng)導(dǎo)致的球膜撕裂現(xiàn)象，因此設(shè)計制造過程中還需要盡可能減弱和避免出現(xiàn)筋膜之間的相互受力。

　　南瓜型超壓氣球的展開不穩(wěn)定問題首次出現(xiàn)于 1984 年 Nott 對超壓氣球充氣過程中。在充氣過程中，氣球形成扭曲狀態(tài)，繼續(xù)加壓，其扭曲形狀保持不變，氣球無法展開，最后在移除四幅球膜后接近穩(wěn)定狀態(tài)。

　　美國 NASA 在超長航時氣球研制中，也發(fā)現(xiàn)了超壓氣球隨著表面積與體積的增加，存在著展開不穩(wěn)定的問題，充氣過程中要么無法進入旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，要么在達到臨界壓力后發(fā)生彎曲。

　　針對這種現(xiàn)象，研究嘗試采用地面充氣展開試驗以及數(shù)值分析方法來還原超壓氣球升空時的失穩(wěn)過程，以探索失穩(wěn)形成的原因。美國 NASA 通過大量的飛行試驗以及模型測試，發(fā)現(xiàn)了高空氣球的最大瓣角(即最大直徑處各球膜瓣之間的張角)越大，氣球越容易完全成形。結(jié)合最新研究成果，NASA 在隨后開展的 586 NT 和 591 NT 號及后續(xù)型號的超壓氣球飛行試驗中，均實現(xiàn)了超壓氣球升空完全成形，并在 2012 年瑞典基律納成功試飛約 5.32×10⁵m³ 的超壓氣球，該氣球能在內(nèi)外壓差為 15 Pa 的低壓下完全展開，且在內(nèi)外壓差達到 160 Pa 時仍能平穩(wěn)飛行，這些試驗結(jié)果表明，NASA 最新設(shè)計的球形具有可靠性，在超壓氣球展開穩(wěn)定性上取得階段性突破。

　　大型超壓氣球的突破和實現(xiàn)將能極大提高臨近空間天文臺的搭載能力和飛行高度穩(wěn)定性，使其能夠在較低緯度實現(xiàn)飛行高度 33 km 左右連續(xù)飛行 100 天以上的目標(biāo)。

　　3.2 高精度穩(wěn)定指向技術(shù)

　　以往的球載吊艙姿態(tài)控制是基于航天器的主動姿態(tài)及穩(wěn)定控制原理和角動量守恒定律，利用反作用飛輪或力矩陀螺提供交換角動量，以實現(xiàn)對方位角的調(diào)整和控制。典型的球載吊艙有德國日出項目(SUNRISE)，其通過反作用飛輪和反捻器的配合使用，實現(xiàn)吊艙方位角的調(diào)整和控制。

　　由于吊艙轉(zhuǎn)動慣量過大，為實現(xiàn)較好性能飛輪必須達到一定質(zhì)量，而且面對外部長時間扭矩會進入飽和狀態(tài)。為了進一步突破高精度穩(wěn)定指向技術(shù)，實現(xiàn)整體控制系統(tǒng)輕量化和高精度穩(wěn)定指向，美國 NASA 研制出一套通用球載指向平臺的 WASP(Wallops Arc Second Pointing)系統(tǒng)，后者能夠為天文觀測設(shè)備提供由于 1″的指向精度。

　　WASP 系統(tǒng)首先使用 NASA 的 SPS(也被稱為太陽指向系統(tǒng))，安裝在吊艙上方進行方位控制，來保持吊艙在 1°~3° 精度范圍內(nèi)的粗略方位定位。主動萬向節(jié)結(jié)構(gòu)則類似于一個平衡慣性平臺，具有俯仰和偏航雙軸，由直流電機驅(qū)動指向，消除了間隙問題，并且采用獨特的軸承設(shè)計，消除了系統(tǒng)動力學(xué)中的兩種有害的非線性效應(yīng)：由于齒輪系引起的形變和由于齒輪系引起的靜摩擦。

　　整個控制過程粗方位角控制器將使吊艙旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)方位角，并在整個觀測期間保持該方位角。俯仰軸和偏航軸隨后將被激活，使球載望遠鏡達到目標(biāo)姿態(tài)。

　　WASP 團隊在研制完成后，于 2011 年到 2014 年進行了 5 次飛行測試。

　　2011 年 10 月 7 日 WASP 進行第 1 次飛行測試，目的是證明在典型飛行環(huán)境影響下，WASP 可實現(xiàn)角秒指向穩(wěn)定性。在測試期間工程團隊操控 WASP 系統(tǒng)以角秒級的精度進行慣性指向，穩(wěn)定性測量值為俯仰 0.24″RMS，偏航 0.22″RMS。由于第 1 次測試的成功，很快開展第 2 次測試，主要是在夜間飛行評估系統(tǒng)的低溫性能。試驗于 2012 年 9 月 22 日進行，平臺總飛行時間約為 15.5 h，在 1 h 的慣性指向測試中，俯仰均方根誤差為 0.15″，偏航均方根誤差為 0.22″。

　　第 3 次、第 4 次和第 5 次測試則開始將 WASP 系統(tǒng)與完整的科學(xué)儀器結(jié)合起來，以滿足科學(xué)要求，有兩個科學(xué)儀器設(shè)備參與進來，分別為第 3 次和第 4 次測試的氣候科學(xué)高光譜成像儀(HySICS)和第 5 次測試的平流層行星觀測儀器(OPIS)。

　　相較于前兩次測試，引入科學(xué)儀器設(shè)備會帶來一些新的調(diào)整，例如安裝在指向結(jié)構(gòu)上的斯特林循環(huán)制冷機會給指向引入干擾。在 2013 年 9 月 29 日進行的第三次測試過程中發(fā)現(xiàn)了翻滾角漂移現(xiàn)象，經(jīng)分析很大程度上是由于循環(huán)制冷機的振動對慣導(dǎo)產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致了偏航的大偏差，并且增加了慣導(dǎo)速率信號中的噪聲，并造成了 2″到 4″的殘余偏移。第 4 次測試進一步優(yōu)化了以上問題。第 5 次測試引入了新開發(fā)的 CARDS 恒星跟蹤器作為主要的白天定姿的設(shè)備，并開始使用平流層行星觀測儀器(OPIS)進行天文觀測。WASP OPIS 的飛行在 2014 年 10 月 8 日發(fā)放，總飛行時間約 11 h。WASP 系統(tǒng)成功地指向了木星和火星以及一些恒星目標(biāo)，包括天棓四星(Etamin)，南河三(Procyon)和天廚一(Altais)。CARDS 星跟蹤器能夠提供 3.9 等恒星的跟蹤單位矢量，并在白天拍攝到 4.3 等以下的恒星。在 1 h 的觀測中，結(jié)合來自星跟蹤器的單位矢量的目標(biāo)相對姿態(tài)角的俯仰均方根誤差為 0.47″RMS，偏航均方根誤差為 0.39″RMS。

　　在 WASP 系統(tǒng)具備了高精度穩(wěn)定指向功能后，NASA 使用 WASP 系統(tǒng)承載了三次科學(xué)實驗，即 XCalibur 任務(wù)、BITSE 任務(wù)和 PICTURE-C 任務(wù)。

　　X-Calibur 科學(xué)任務(wù)是測量硬 X 射線 25-70 kev 能量范圍的線偏振。2016 年 X-Calibur 成功觀測了包括蟹狀星云、天蝎座 X-1、天鵝座 X-1 和 GRS1915+105 在內(nèi)的 X 射線目標(biāo)。BITSE 任務(wù)是美國 NASA 與韓國 KASI 合作開發(fā)的外掩單級日冕儀，用來證明當(dāng)電子的溫度和速度發(fā)生變化時，可以通過量化 k - 日冕譜的形狀變化和紅移來測量日冕電子的溫度和流動速度。2019 年 BITSE 任務(wù)升空后最終獲得了 17060 張日冕圖像，觀測到的窄條紋與 SOHO 日冕儀在重疊物理域的幾何性質(zhì)吻合較好。球載行星成像可回收測試實驗平臺–星冕儀 PICTURE-C 任務(wù)的目標(biāo)是為了搜索觀測系外行星。2019 年第 1 次飛行實驗成功展示了系外行星直接成像任務(wù)的許多關(guān)鍵技術(shù)。2022 年第 2 次飛行實驗，首次成功使用其高階和低階波前控制系統(tǒng)在近空間環(huán)境中的天文臺上執(zhí)行焦平面波前校正。

　　WASP 指向系統(tǒng)開發(fā)項目于 2014 年成功完成。在 4 年的 5 次試飛中，WASP 系統(tǒng)可以適應(yīng)各種質(zhì)量、慣性和配置的載荷，同時保持角秒級的高精度性能。隨后進行了 3 次科學(xué)實驗，實現(xiàn)了高精度穩(wěn)定指向，完成了預(yù)定科學(xué)目標(biāo)。由于具有卓越的指向性能，WASP 系統(tǒng)被美國 NASA 認(rèn)為是除超壓氣球技術(shù)之外，高空科學(xué)氣球領(lǐng)域的另一大技術(shù)突破。

　　4 臨近空間天文臺發(fā)展展望

　　結(jié)合長航時技術(shù)和高精度穩(wěn)定指向技術(shù)的臨近空間天文臺與球載望遠鏡結(jié)合具有以下優(yōu)點。望遠鏡溫度≤250K 可以觀測微弱的太陽系目標(biāo);飛行高度≥33 km 對于紅外觀測，可以最小化地球大氣的影響;望遠鏡的口徑≥1 m 允許以經(jīng)濟高效的方式收集光線，以實現(xiàn)最大的信噪比衍射極限性能;0.5″的指向能力，允許觀察延長的目標(biāo)和多次短時間曝光;時間覆蓋率≥100 d 允許長時間飛行用于監(jiān)測行星目標(biāo)上的時變過程。

　　4.1 科學(xué)思想前期驗證平臺

　　搭載科研觀測儀器的臨近空間天文臺可以與天基衛(wèi)星、地基科研平臺及其他形式的科研平臺相互配合，對創(chuàng)新思想進行前期驗證，將其提升成潛在的天基天文臺載荷。臨近空間天文臺具備成為空間科學(xué)天文觀測先進儀器和創(chuàng)新思想的前期驗證平臺的潛力。

　　從氣球飛行使用的儀器中衍生出的航天器儀器的例子很多，基于高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺完全可以作為科學(xué)思想前期驗證平臺，促進新一代尖端科學(xué)探測技術(shù)的發(fā)展，成為航天器 / 天基天文臺的重要技術(shù)儲備源頭，為前沿科學(xué)和新一代先進的空間科學(xué)任務(wù)夯實基礎(chǔ)。

　　臨近空間天文臺具有發(fā)射使用費用較少、準(zhǔn)備周期短、載重大、可回收多次利用、具有較多的發(fā)射和飛行窗口等優(yōu)勢，可以容納較多的科研項目，能夠充分激發(fā)科學(xué)家的潛能，有力地激勵原創(chuàng)性科學(xué)思想，進而推動前沿科學(xué)研究。

　　4.2 中國南極天文觀測建議

　　雖然我國在制約臨近空間天文臺的硬件技術(shù)上已經(jīng)取得了突破，具備了長航時大載重的飛行能力，但是由于國內(nèi)民航的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)空域的限制在一定程度上制約了基于高空科學(xué)氣球的臨近空間天文臺的天文觀測活動。

　　天文觀測需要長時間觀測，而南極是全球長時間氣球飛行的最佳區(qū)域：南極夏季不落日，南緯 70° 冬至前后各約兩個月，基本避免了晝夜氣球溫度交變和浮力損失。同時南極地區(qū)的極地渦旋使得零壓氣球可以實現(xiàn)定高長時間繞飛，有利于回收，且沒有飛行限制。美國在南極羅斯海地區(qū)建成了麥克默多站，后由南極天文計劃發(fā)展成為了著名的世界級高空科學(xué)氣球基地。2023 年 12 月 NASA 在南極發(fā)放的 GUSTO 任務(wù)取得了空前成功，飛行時間打破了原 55 天的紀(jì)錄。

　　中國于 2024 年 2 月建成并開站的秦嶺站所在緯度為南緯 74°56′，接近美國麥克默多站的緯度–南緯 77°50′50″。如果在秦嶺站可以開展高空科學(xué)氣球飛行，則可以借助極地渦旋，實現(xiàn)長時間繞飛。因此建議后續(xù)嘗試在秦嶺站開展臨近空間天文臺的飛行試驗，開展中國的臨近空間天文臺南極天文觀測。

　　5 結(jié)語

　　臨近空間天文臺是一種特殊的天文臺，選址于臨近空間，依托于高空科學(xué)氣球浮空器平臺。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，以美國為代表的國家在制約臨近空間天文臺的關(guān)鍵技術(shù)難題上做出了新的突破，讓科學(xué)界看到了臨近空間天文臺在天文觀測領(lǐng)域的潛力。

　　臨近空間天文臺作為空間科學(xué)天文觀測先進儀器和創(chuàng)新思想的前期驗證平臺，能夠有效提高天基天文臺觀測任務(wù)的成功率，縮短天基天文臺研發(fā)生命周期;同時作為空間科學(xué)人才培養(yǎng)平臺，可以成為空間科學(xué)家和工程師的搖籃，培育更多領(lǐng)軍人才，壯大研究隊伍。

　　近年來受空域限制，中國的臨近空間天文觀測活動在頻度上與先進國家有較大差距。因此，建議以中國南極第五站秦嶺站開通為契機，適時開展南極秦嶺站的高空科學(xué)氣球飛行試驗，進一步推動中國臨近空間天文臺的南極天文觀測，為中國空間科學(xué)發(fā)展貢獻更大的力量。

李一健;黃宛寧;周江華;張曉軍;張航悅,中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院;中國科學(xué)院大學(xué)航空宇航學(xué)院,202406