一篇8000字的學術交流會總結報告-第23屆歐洲火箭與氣球項目研討會

歐航局舉辦的第二十三屆歐洲火箭與氣球項目研討會於2017年6月11日在瑞典維斯比召開。歐洲火箭與氣球項目研討會歷史較為悠久，其第一屆可追溯到1973年，之後每兩年舉辦一次，每次在歐航局成員國中的法國，瑞典，德國，挪威，瑞士之間輪流舉辦。

今年輪到瑞典，下一屆為德國，再下一屆在法國舉辦。會議的主旨既討論各個國家探空火箭與高空科學氣球本身的發展計劃，應用範圍與技術趨勢，同時也對由探空火箭及高空氣球搭載的設備所得到的觀測數據進行詳細的討論分析和介紹。這次維斯比會議主要由瑞典空間公司（sweden spacecenter，簡稱SSC）作為主要承辦方，會議匯聚了來自歐洲各個國家的科學家，博士生以及本科生，非歐洲國家有中國和日本兩國的科研人員參會。

臨行前王老師和楊博士對我們囑託，希望代表中國科學院展現出中國科研人員的風采，有壓力，同時也有著必須圓滿完成任務的決心。作為科學院代表第一次參會，我們最重要的任務一是對於會議的每一個關於高空科學氣球的報告都認真的記錄，二是盡量和世界上相同領域的機構建立聯繫，討論未來合作的可行性。

中科院科研人員的風采（中間紅衣服為法國CNES的科研人員，右一為筆者，左一為同事）

維斯比是一個坐落於哥特蘭島的中世紀古城，其沒有大城市的繁華和喧囂，卻有著瑞典全年最長的晴天時長，四面環海且生活悠閑，是瑞典人度假的首選。但是對於參會的我們來說，五天的時間幾乎全被各種報告佔滿，時間非常緊張。

和「jack」（睡眼惺忪版）的合影

會議的開幕式為6月11號的上午9點，第一天主要為各個被邀請人做報告。每個被邀請人都代表一個國家，其內容為介紹自己國家近幾年及未來幾年在探空火箭和高空氣球領域的動向。

第一天（2017年6月12號）

開場瑞典作為這次的主辦國做了第一個國家報告，報告中關於氣球的項目主要介紹了PoGO+和In-situ IWC。PoGO+由高空氣球搭載的載荷主要應用於天體物理學方面的探測和研究。其第一次升空搭載實驗在2013年完成。第二次升空搭載實驗在2016年7月12日在瑞典的試驗場Estrangespace center放飛，經過6天飛行，於2016年7月18日降落在加拿大的維多利亞島（victoriaisland）。In-situ IWC所搭載的設備主要應用於大氣科學探測，具體為探測高空大氣的冰顆粒物。其氣球體積並不大，只有500m3，升空高度14km，可見載荷並不大。在瑞典的國家報告中，學生項目的介紹也佔了很大比重。由德國和瑞典兩國聯合合作的專門針對於歐洲學生，培養歐洲未來工程師和科學家的學生項目REXUS/BEXUS（R代表火箭，B代表氣球）自從2007年開展以來，已經吸引了超過1000個學生參與其中（包括本科生，研究生和博士生）。每個參與到這個項目的學生，都旨在應用探空火箭和高空氣球完成自己所需要的探測實驗，其中學生們以項目組為單位需要獨立完成關於氣球和載荷之間的所有工作。但是很可惜，這個項目目前只對歐洲學生開放。

第二份國家報告由德國宇航中心（DLR）總結在2015年到2017年的所有由德國空間項目（Germanspaceprogramme）所支持的探空火箭和高空氣球項目。其中，空間科學，地球觀測均是基於高空氣球的應用。LITOS（leibnizinstitudeturbulenceobservationsinthestratosphere）項目，其主要應用於測量對流層頂和平流層的大氣湍流和波動，可以精確到厘米（cm）量級。具體為將湍流感測器載荷搭載在六個高空氣球上上升到20到30km。其飛行試驗時間為2016年1月13日到2016年2月2號，分別在挪威的Andoyaspacecenter和瑞典的estrangespacecenter都有試驗。德國的BEXUS學生項目主要有兩個關於氣球搭載，一個代號BEXUS 20/21，在2015年10月7號和10號完成升空到將近28km，飛行時間4.5小時的飛行。一個代號BEXUS 22/23， 在2016年10月5日和7日完成升空到將近32km，飛行時間4.5小時的飛行。德國報告中還發生了一個小插曲，由於德國國家報告人在演講中心臟不適，突然昏迷，被救護車緊急送到了醫院，後來得到消息，幸好送達及時沒有生命危險。

第三份國家報告由法國國家空間研究中心（CNES）做主題為「英仙座計劃」的報告。（英仙座計劃隸屬於CNES發射董事會的未來準備項目，其主要的目的為：一是發展空間運輸系統的技術創新。二是提升年輕人，特別是學生對於未來從事空間科學工作的積極性。三是起到地面測試和飛行試驗的示範作用，為微小衛星（nanosatellites）發射系統做詳細的預先準備。）法國的報告全部是關於高空科學氣球的項目，較為詳細。報告人首先介紹了法國科學氣球的背景，其中設計和資質包括：氣球，內務系統，命令控制和地面站，發射方法等。製造管理包括：囊體製造（法國空星航空航天French AirstarAerospace），飛行設備，地面軟體等。運行包括：項目管理，發射，飛控，回收和安控等。載荷和科學設備發展包括：對於科學實驗室的技術支持。目標載荷吊艙包括：設計，製造以及內部運營及維持。法國零壓氣球的其中一個項目為NOSYCA的應用，此項目為一個故障安全系統，分別在2014-2017的三年內，從三個地點，加拿大，瑞典，以及澳大利亞分別進行了19次成功的發放。氣球大小從50000立方米到800000立方米，載荷從180kg到1100kg，最高升限40km，最長飛行時間33小時40分鐘。氣球在高空段35km-15km的降落段時速為2-4m/s。法國人還列舉了詳細的在以上三個地點進行氣球發放活動的具體氣球項目和參數信息。

加拿大進行的六個高空科學氣球項目的具體參數表以及一些飛行總結（具體見照片）。在瑞典的氣球發放就在estrangespacecenter進行，共進行了兩次成功的發放（具體見圖片）。在澳大利亞的發放今年進行了三次成功的發放（具體見圖）。同時，法國還介紹了cnes參與到NASA的CSBF（哥倫比亞科學氣球機構，全稱Columbia Scientific Balloon Facility，由軌道ATK公司運作）項目的相關載荷項目。此載荷名稱為EUSO-BalloonPayload，是一個從高空觀測紫外光的載荷。其第一個氣球在2014年放飛，之後在2015和2016年將載荷搭載在超壓球上進行了超長時間的飛行。最新一次的飛行實在2017年的4月24號，但是只飛行了12天，由於氣球技術原因終止了飛行，這部分具體的內容浮空君已經在公眾號里詳細介紹過了。同時cnes和NASA的CSBF的另一個合作項目名稱為「火球載荷」（fireballpayload），此項目的載荷用於探測星系間的微弱漫反射（faintanddiffuseemission），此項目的載荷1600kg，第一次飛行在2009年，最新的也是第二次飛行計劃在2017年的秋季進行。 第二部分的介紹為目前正在運作的Strateole-2項目。此項目聯合了法國國內多家實驗室以及美國，義大利，印度和俄羅斯的多個機構，目前正處於細節設計和製造階段。其主要目的為：一是研究對流層和平流層在熱帶地區的耦合過程。二是研究熱帶對流層頂的橫向和縱向輸運過程。三是研究熱帶和全球天氣的動力學和物理學機制。此項目會提供一個高空的實時觀測數據用以改進天氣的分析和預報，同時也為歐航局的衛星進行天氣數據的驗證。法國在2010年曾有過在熱帶地區長時間飛行的經驗（3*90天）。而對於Strateole-2，其第一次飛行計劃用於驗證飛行系統的可靠性，計劃於2018年進行。第二和第三次為正式搭載，飛行分別計劃在2020和2023年進行。最後一部分法國人介紹了法國的系留氣球系統。此系統名稱為Aeroclipper，主要是將系留氣球連接在一個在海上的漂浮物上，氣球上攜帶載荷用以觀測海面和空氣的數據。由於有連接物，所以不會上升，氣球只會隨著風橫向漂流。此種系留氣球的應用法國計劃在2017年10月開始進行多次試驗，其最長的設計駐空時間為30天。

第四份國家報告為挪威關於Andoyaspacecenter的介紹。主要介紹了Andoya發射場的一些硬體設施和人員組成。

第五份國家報告來自加拿大的加拿大空間中心（CSA）。其中，加拿大自從1974年就已經進入到科學氣球的領域。CSA其中的一個項目Stratos在2012年發射，地點為加拿大的Timmins發射基地（基地示意圖見圖），此項目和法國的CNES合作了10年，其中CNES提供飛行的硬體（氣球等）和飛行運作。CSA提供中緯度發射場，回收服務以及所有氣球和載荷的介面。對於CNES和CSA相互合作的需求，CSA可以為加拿大的科學家和工程師提供頻發的發射機會，同時可以提供發射場。而CNES則需要一個零壓氣球的中緯度發射場（我個人覺得因為esrange在北極圈高緯度，可能無法完成中緯度的飛行任務，所以要和加拿大合作。但是由於我們部門在內蒙古的發射基地同樣屬於中緯度，也許可以憑藉這個優勢和CNES建立起很好的合作聯繫）。在2013年到2017年CSA和CNES的合作中，CNES共進行了20次零壓球飛行，其中15次在Timmins（2013秋，2014秋，2015秋），1次在法國（2016夏），2次在瑞典的estrangespacecenter（2016秋），還有3次在澳大利亞（2017春）。飛行時長從4小時到33小時不等。其中，共計100名加拿大科學家和80名加拿大學生參與到了項目當中。載荷的類型主要集中於大氣天氣遙感，宇宙學，大氣測量，太陽能板等。在2018年，加拿大Timmins發射場還將進行多次的氣球載荷任務（具體見圖）。

第六份報告來自日本，其介紹了2015-2016年的六次氣球試驗。主要應用於伽馬射線成像，平流層低溫樣本，微型微型，平流層生物氣溶膠樣本，火星氣球飛行器以及大氣重力波和臭氧層觀測（具體飛行時間和高度見圖）。其中日本人說到，在日本國內已經很難有超過三小時的飛行了，並且對於科學的應用越來越少，對於工程的應用越來越多。並且自2012年之後，由於高空氣球的原因，有些飛行任務不得不取消。日本在外國的氣球項目均可以飛行很長的時間，其提到了2000年在巴西飛行過一次，為具體提及項目。在2015年在澳大利亞飛行過一次。在2018年，日本還有三次氣球飛行計劃，分別為FITE（遠紅外干涉望遠鏡試驗），SMILE（亞兆電子伏伽馬射線成像試驗）以及GRAINE項目。

第七份國家報告來自美國達特茅斯學院，其主要介紹了nasa現在正在進行的BARREL（氣球陣探測輻射帶相對論性電子損失）氣球項目。其在2013及2014年進行了兩次南極的飛行試驗，每次試驗飛行20個氣球，平均飛行12天。在2015及2016年在瑞典的esrangespacecenter進行了兩次試驗。主要目的為通過氣球陣和nasa的雙衛星范愛倫探測器進行磁結合。

第八份也是最後一份報告來自哪個國家確實不記得了，報告的項目名稱為PILOT計劃。此計劃搭載法國天體物理和行星學院（irap）的載荷，主要探測在遠紅外場下粉塵放射的線性極化。載荷重1噸，飛行高度40km。第一次飛行在2015年9月在加拿大成功放飛，第二次飛行在2017年4月，地點為澳大利亞。此項目有諸多大學和科研機構參與。

第二天（2017年6月13號）

第二天關於氣球的第一個報告由歐盟的ORISON項目代表人介紹關於此項目的背景和內容。ORISON項目目的既是在歐盟的H2020（歐洲最大的研究和創新項目）的大背景下，探討應用高空氣球作為研究平台的可行性。其周期為2016年2月到2017年8月。其主要動機為搭載天文領域的載荷，比如紫外近紅外光譜望遠鏡和大型遠紅外望遠鏡。飛行基本上持續2到3天，載荷重400kg。此項目目前也在尋找有共同利益和目標的合作夥伴。

第二個報告來自於歐航局的學生項目BEXUS聯合IRIS（地震學研究機構）。其旨在應用氣球搭載光電二極體測量地表的漫反射。此項目動機是要是基於四點：一是目前天氣改變是最大的問題。二是漫反射會強烈影響地球輻射收支。三是極地地區對於地球氣候有著重要影響。四是因為微型模型目前需要發展更高的精度。基於以上四點原因，IRIS聯合BEXUS學生項目，為學生提供一個應用氣球探測漫反射的項目。

第三個報告來自於法國CNES，其內容為針對第一天的國家報告中Strateole-2項目，報告為此項目所研製的超壓球。搭載的超壓球直徑分為兩種尺寸，分別為11米和13米，載荷40-50kg，每次以20到25個氣球進行編隊飛行，計劃可以持續飛行2到3個月。法國之前曾有過三個長航時氣球飛行經驗，分別為StrateoleVorcore項目（2005年9月和2006年2月，南極，共放飛27個氣球），AMMA Driftsondes項目（2006年9月到10月，非洲）以及Concordias的先導項目（2010年2月到5月，塞席爾島）和正式項目（2010年9月到2011年2月份，南極，共放飛19個氣球）。由於法國有著以上長航時飛行的經驗，Stratole-2項目準備聯合多個國家，完成熱帶地區的飛行。該計劃打算應用20個氣球進行編隊飛行，在2018年11越到2019年3月進行5次試飛作為氣球飛行可行性的驗證，在2020年11月到2021年3月進行20次試飛，在2023年11月到2024年3越進行另外20次試飛。法國在2010年的Concordias項目之後開始了對超壓球的進一步研究已完成剛高的安全性，更可靠的性能，為吊艙系統減重以及簡化飛控和載荷的相關程序。其中，安全性體現在提高故障安全設計標準，可靠性體現在減少由大氣環境輻射所導致的暫時性信號中段，減重方面Strateole-2和上一代Concordias在載荷重量方面均減輕了約30%。

第四個報告為關於高空行星科學的吊艙載荷系統報告。此項目背景為NRC（美國國家研究理事會，nationalresearchcouncil）的行星十年調查項目。此項目氣球所搭載的載荷種類較多，但是都以小載荷為主。預備在2020年放飛。

第五個報告為瑞典空間公司報告POGO+的情況。POGO主要為極化伽馬射線觀測，需要在38km往上的空間才能避開X射線的干擾，且需要2到3天的飛行時長已完成所需數據的觀測。對於搭載POGO載荷所需要的氣球，其體積為1120000立方米，使用Collarsystem釋放氣球，ripstitch技術減少切斷和釋放時的衝擊，採用機械式釋放系統，降落傘130英尺。POGO+的最近一次釋放式在2016年7月12號3點17分，釋放時天氣條件等均較為理想，在浮空時間內高度變化在36473米到40573米範圍內變化，於2016年7月18日21點38分結束飛行降落在維多利亞島北部，飛行時間接近7天（162小時）。具體高度變化，壓艙物釋放曲線和飛行路徑見圖。

第三天（2017年6月14號）

第三天氣球應用分會場第一個報告略為遺憾，基本上錯過了，只能知道大概上是一個由一個主氣球和三個小氣球組成的多球系統，具體應用沒有聽到。

第二個報告為學生項目BEXUS，代號BEXUS 23，項目名稱OSCAR，載荷主要研製基於diamondnv centers超靈敏便攜3D磁強計。

第三個報告為瑞典理工大學的博士研究生做的一個關於高空氣球軌跡預測的軟體，包含了軟體設計，驗證部分的介紹。其考慮的情況較為詳細，並和氣球升空試驗數據進行了對比驗證。

第四個報告為來自比利時安特衛普大學的博士研究生做的關於項目名稱為HACORD計劃的報告。HACORD為高空宇宙射線探測計劃，此項目同樣來自歐洲學生氣球項目BEXUS。此項目已於2015年10月在瑞典estrangespacecenter搭載在高空球進行了發放。報告人在報告中主要介紹了應用有限元軟體進行對載荷吊艙內的溫度分析。

第五個報告為同事才晶晶的報告。主要介紹了應用探空火箭高空釋放氣球，下落過程充氣膨脹並進行探空觀測的項目，分析了在全過程中氣球的溫度變化情況。這是全場報告中唯一既有火箭又有氣球的項目，高度契合大會主題，可惜時間關係，缺少火箭和氣球的試驗數據是唯一的遺憾。

第四天（2017年6月15號）

第四天關於氣球的報告，我做了第一個報告，題目為氣球搭載微型滑翔機高空投放。

第二個報告來自德國DLR。報告首先介紹了兩年前DLR此項目組在高空氣球上所投放的滑翔機。之後著重介紹了此項目組最近的工作，他們著重於設計非傳統超柔性太陽能飛機。傳統太陽能飛機為剛性大展弦比結構，氣動彈性變形較大，也導致了多次由結構破壞引起的飛行任務的失敗。此項目組因此提出使用柔性材料，促使大展弦比飛行器可以產生隨風的形變並不會破壞，並且從結構上設計成多段組合的形式。由於是柔性結構，多段組合由此理論上可以使機翼變的非常長，從而提高氣動性能。現在該項目組已經做出了縮比原理樣機且已經進行了飛行試驗。從試驗視頻上看，飛行較為穩定。

第三個報告來自BEXUS學生項目，主要介紹一種充氣結構所搭載的天線。

第四個報告同樣來自BEXUS學生項目，此項目為介紹太陽能電池的電流電壓檢測系統設計。

第五份報告來自瑞典空間公司（SSC），主要報告應用氣球和探空火箭作為平台進行投放試驗的一些項目。曾經的項目包括惠更斯探測項目（The Huygensprobe）和HSFDⅡ項目。惠更斯項目作為卡西尼衛星土星任務的一部分，由法國CNES主導於1995年在Estrange space center完成投放測試。HSFD Ⅱ為高速飛行演示階段，由法國和日本聯合，於2003年在esrange space center完成投放測試。最近的投放項目包括日本JAXA的D-SEND#1和D-SEND#2，ERC的地球返回艙和。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地球返回艙是為了對以後星際探測時用以保存樣本並返回的艙體做的測試。載荷重小於60kg，由三個氣球分別攜帶三個載荷在不同高度投放。其投放時間為2015年6月和8月。未來的任務包括歐航局的HADT項目中的EXOMARS。EXOMARS是為了測試降落傘對高速下落物體的加速性能。其預備的飛行試驗時間為2018年的6月到8月。

個人感想：

首先，感謝領導能批准這樣一個機會，可以和歐洲的科學家一起參與討論。對部門而言，可以把這次會議的一些關於高空氣球領域的項目和想法都可以做一次較為全面的了解，同時，通過交流和溝通，向世界的同行打開大門，讓他們了解中國也有自己的高空科學氣球事業，並且不弱於世界上的同行。這次交流的主辦方瑞典空間公司已經表示了對於未來和中國科學院合作的期待，特別是SSC的工作人員提出可以趁著部門外場試驗的機會，來中國和咱們直接建立聯繫。在會議的最後一天，午飯時間和法國的CNES建立了很好的對話溝通，他們第一次知道中國高空氣球的發展，對於咱們過去在氣球領域的合作和發放情況十分感興趣，並且也希望以後有機會建立合作關係。

對個人的收穫而言，首先，在會場上碰到了上一屆會議德國DLR所發的平流層投放滑翔機的論文作者。通過和他的交流，了解了平流層低溫環境下對飛機控制所帶來的問題，並且給出了解決的措施。並且，了解到瑞典的一個小組目前也在搞平流層投放滑翔機，其滑翔機名為smartfish，是一個類似飛魚構型的滑翔機。並且其並沒有使用諸如降落傘或者投射器等設施去使其在初始時穩定，而是直接用氣球吊起來，切斷繩子釋放。從視頻可以看到其飛行器仍能穩定下滑。此飛行器目前已經完成了高空投放的測試，試驗過程可以從網上觀看視頻。個人認為，應用高空氣球投放微型無人機是一個非常好的想法，目前來看世界上有多家機構都在試驗，值得深入研究。另外一個比較感慨的是，德國DLR平流層投放無人機的小組目前開始了新的項目，此項目為設計新概念太陽能無人機。區別於傳統硬式結構無人機，此項目為了解決結構大變形所帶來的破化問題，從另一個角度出發，設計全新的軟式組合式太陽能飛機。從視頻看，其原理樣機機翼在飛行時沒有固定的硬式結構，而是會隨風擺動。此種設計避免了結構的破壞，同時，通過設計成多段組合形式，其飛機有了更大的可變更性，可按需求疊加機翼長度。在這裡不得不佩服外國人的創新精神，無論最後可行性如何，其打破常規的解決方式，值得我們學習。

最後想說一下自己這次會議的體會，首先，從這次會議上各個國家的項目來看，高空科學氣球在世界範圍內的應用遠比其在中國的應用廣泛的多。導致這一現象的根本原因是歐洲對於基礎科學的重視和支持。基礎科學需要花錢，並且得到的探測結果純粹只是科研用途，並不會帶來利益的相關轉化。因此和基礎科學相關研究探測在中國沒有得到大力支持，導致我們雖然有著世界水平的氣球平台，卻沒有可以搭載的載荷。這也許和目前中國的體制有很大關係。日本和德國之所以在這一基礎領域做得好，可能恰恰是因為其戰敗國的身份，省下了軍費開支，從而把更多的錢投入到科學研究中。其次，我們的高空氣球平台和世界比水平並不差，可是這次會議上發現，許多外國相關領域的人根本就不知道中國也有自己的氣球平台。這是否也跟我們國家的體制有關，總是關起門來，和世界範圍的同行缺乏交流和溝通。看到鄰國日本正在此領域和多個國家展開合作，真的希望在下一屆的會議上，中國也可以被大會作為被邀請國，做國家項目的彙報，讓世界更多的了解我們自己的工作。最後一點感受是，歐洲在探空火箭和氣球的學生項目REXUS/BEXUS搞了多年，吸引了無數的學生參與到其中。學生在次項目中，可以說是自己當自己的老闆，以課題組為單位，完全由學生自己制定研究的全部計劃，其調研和科研能力得到最大限度的調動和提升。而不是像在學校，為老師的某個課題做研究。並且對於參與到此項目的學生，其有著諸如此大會在內的諸多做彙報演講和交流的機會。在對未來科學家和工程師的培養上這一點上，確實比我們國家做得要更細緻。

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