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麦克默多站（McMurdo Station） 麦克默多站是建于南极麦克默多海滨罗斯岛南端的火山岩的一个研究中心，该站的起源可以追溯到1956年，美国在那里正式建立了第一个科研基地。最初，它的创始人们将其命名为“海军航空麦克默多站”（Naval Air Facility McMurdo）。 目前，该站由美国国家科学基金会（NSF）运营管理的，是南极洲最大的科考站，最多能够容纳1258名科研人员。作为一个南极科考站，它需要为半个南极大陆提供后勤服务。麦克默多站拥有一个海港，三个机场（其中2个根据季节开放），一个直升机机场和100多座建筑物。 在这片白色大陆上，美国最主要的机场是威廉姆斯机场（Williams Field）。该机场是为了纪念理查德·T.威廉姆斯（Richard T.Williams）而命名的，他是美国海军的一名设备作业员，他在1956年的一次名为Operation Deep Freeze的行动中牺牲，原因是他的D-8型拖拉机压垮了冰层。 威廉姆斯机场离罗斯岛约七英里，为麦克默多站和新西兰的斯科特站提供服务。它有一个经过压实的冰雪跑道，位于罗斯冰架的顶部，厚约80米。该机场的运营时间是十二月至二月底，而且仅供滑雪机降落。它也拥有一套名为“Willy Field”的机组设备，设备包括几排用作厨房的集装箱、消防与救援设备，甚至还有可移动的控制塔。 选择在南极洲的夏季发放高空气球具有巨大的优势，其原因主要有两个：极地漩涡和稳定的太阳辐照。 极地漩涡是一个持续的、巨大的高压系统，它在南极上空形成了独特的大气环流。涡旋可以使科学家们从某个地点发放气球后，从几乎相同的地点再将它们回收，这段时间内气球会飞行约几周的时间并环绕南极大陆一到三圈。关于太阳辐照的影响因素如下：执行长时间飞行是关键的，因为在南极洲，持续的日照意味着气球上的昼夜温差达到最小，而小温差可以保证零压气球在较长时间内保持几乎恒定的高度。 尽管从90年代初开始，NASA在南极洲的大型重载气球方面的试验就占据了主导地位，但事实上，还有两项更早期的先驱性试验值得一提。日本航天局早在1984年就开始研制所谓的“极地巡逻气球”（Polar Patrol Balloon），1987年首次试飞是在Syowa Antarctic基地。该项目的目的是将中小型高空气球发放到环绕南极极点的飞行路径上，并于1990年圣诞节实现首次飞行。另一个项目是1988年1月在威廉姆斯机场首次发放的大型重载平流层气球，该项目是由美国空军霍洛曼基地（Holloman Base）的气球支部负责实施操作的。其目的是发射一台观测仪器，接收来自超新星SN-1987A的伽马射线。 在20世纪80年代，NASA赞助了零星的几个长时间气球（LDB）飞行任务，主要是从澳大利亚Alice Springs到南美洲的标准零压气球。科学界对这种长航时飞行的兴趣促使该机构成立了一个开发小组，专门负责设计和建造飞行设备与操作设备的硬件部分，以便每年执行这些任务。他们的工作成果在1990年和1991年得到了验证，NASA在南极洲发起了两次远程活动，用于进行LDB试验飞行，其中包括了以科学载荷为主导的飞行任务。这些实验都是在当时的夏天于威廉姆斯机场进行发放的。 1992年，当南极的常规飞行计划确定后，NSBF成立了一个长期的LDB支援小组。在计划实施的过程中，还需要购买一种像帐篷一样的建筑，我们称之为“Sprung Structure”，用于在准备发射的时候容纳有效载荷。在上边可以看到它的远景照片，而在下边的图像显示了其打开的状况。该结构的建筑是一个铝制的锥形结构，直径约90英尺，高40英尺。建筑的墙壁（或“表皮”）是由玻璃纤维/聚四氟乙烯材料制成的，它的一侧有一个大的蛤壳式大门和几个单人通过的小门。该建筑被放置在威廉姆斯机场的胶合板平台的顶部。 在每次气球发放试验结束的时候，这座建筑都必须被运到麦克默多并保存起来过冬，而起重机和发放平台则被留在了原地。每年春天，项目实验人员都会重新再把这个建筑组装起来。这个过程经过一两年的时间后，由于这些平台逐渐被冰雪所覆盖，因此如何保持发放平台的高度成为了切实的一个问题。 1995年11月，科学家们开始筹划为当时的两个有效载荷进行组装，在组装之前的三个星期，他们几乎已经组装完Sprung Structure建筑，然而一场暴风雨袭击了威廉姆斯机场，导致了建筑表皮被撕裂，建筑的框架也被弯曲破坏。NSF决定用麦克默多的现有木材建造一座大楼，并盖在威廉姆斯机场的一个重金属设备仓库的前方。 这个新的建筑是由当地木匠在没有正式计划的情况下，在约两周的时间里建成的。它被称作“猪舍”（Pig barn），因为建成后他们在建筑物的顶部安装了一个气象叶片，上面有一个猪的图像。这座建筑物由两部分组成：木匠们所建造的巨大的前半部分有一扇用帆布和木板制成的大门，门可以像百叶窗一样升起；后半部分只是一座钢铁结构的建筑，原本是一个重型设备维修车间，“连接”到新建建筑物的后部。运行在轨道上的桥式起重机的大小决定了猪舍的最终尺寸。 抛开已作出的改进不谈，积雪的问题依然存在。每年春天，承包商都花费越来越多的时间推开积雪，挖出建筑物，以便它们能够用于NASA的气球项目。 越来越多的科学需求导致基站需要一个保证第三有效载荷组装和测试的建筑设施。NASA购买了另一个被称为“The Weatherport”的建筑，它位于“猪舍”旁边，旨在容纳较小的有效载荷，因此它并不需要起重机和过高的天花板。它是一个帐篷结构的建筑，由金属框架制成，顶部有一层略微圆润的绝缘覆盖物，有点像之前所提到的“Sprung Structure”。 到2000年，冬季的积雪完全覆盖了遥测大楼（大约10英尺高），而“猪舍”迎风侧的积雪厚度也超过了20英尺。两台大型推土机用了三个星期的时间，没日没夜地工作才把雪完全清理干净。由于这种清理费用变得越来越难以承受，NASA和NSF决定彻底解决这个问题，其方法是在滑雪板上建造一套新的可移动建筑物，这些建筑物在冬天将会被放置在雪堤上，这样雪就不会掩埋它们了。 2005年冬天，NASA在距离麦克默多站2英里的罗斯冰架上建造了六座建筑，并支付了其全部物费用。由于这些建筑在麦克默多站的外面，因此工人们不得不面对数月的黑暗冬日和零下70摄氏度的严寒。六座建筑于9月下旬竣工，然后一个接一个地被D-8履带拖拉机拖在后面，缓慢地滑行到了威廉姆斯机场。最后一个到达机场的建筑于2005年10月14日就位。 在下方的图片中可以看到一个空中拍摄的LDB发放现场。 位于左侧的前两栋建筑是有效载荷组装建筑，他们俩是完全一样的。紧挨着他们的是CSBF机械与索具车间。遥测建筑的顶部拥有一个圆顶结构，在它的右边是一个“机械”建筑，它配有热交换器和厕所。蓝色的设施是双发电机组，在它的排气系统上装有废热交换器，这些废热交换器连接到配备热交换器的“机械”建筑，可以向建筑群的其它部分提供携热流体。最后，右边的小圆柱形建筑是Jamesway帐篷结构，用作厨房。 目前，它们是南极洲最高的建筑物，每栋建筑重约16万磅，无疑是南极洲体型最大的可移动建筑。 在夏末，工人们将建筑物从目前锚固的地点解放出来，并把它们移到雪堤上，在那里它们将被重新锚固并储存起来。这项措施解决了在每个冬天结束时都要挖掘建筑物的问题，就像之前所说的“猪舍”和其他建筑那样。 一个反复出现的问题是：滑雪板静止不动并固定住建筑物后，常常会冻在雪地上。当需要移动它们的时候，滑雪板会通过电加热条加热来融化冰块，使建筑物不会被冻结在原地。这比使用其他的方法更加有效，比如使用炸药来破坏冻结建筑的冰块。 节性极地风环流的状态决定了发放窗口的打开时间，通常在南极发放LDB的窗口打开时间是每年12月10日至1月10日。对于整个南极大陆的飞行轨道来说，这种环流状态是维持其稳定的必要条件。而发放窗口的关闭，则是根据美国南极计划（USAP）的要求，按季节关闭，方向开始反转。 麦克默多站位于南纬77.86°，所以当平流层风向发生反转时，LDB轨迹趋向于保持最接近麦克默多的纬度。相比较而言，在澳大利亚的夏至时间，LDB轨迹趋向于发散，而且在季节的开始与结束时间，恰好对应着平流层风向反转开始和结束的时候。 自从人们开始在威廉姆斯机场实施气球的发放以来，使用的都是一种“动态”发放技术。前15年中，用于在发射时运载和操作有效载荷的发射车是一辆名为“DELTA III”的特殊南极卡车，其上安装了一台大型起重机，用于运载有效载荷。它的承载能力限制在2038公斤，因此其机动性并不强。在左边可以看到它的图片 截止到2002，NSBF已经完成了一辆在南极洲使用的新型发射车。该发射车被命名为“The Boss”（以著名南极探险家Ernest "The Boss" Shackleton名字命名），是由NSBF的工程师们设计的。在下边可以看到它的图像。这辆40吨重的卡车有58英尺长，轮胎的高度超过4英尺，因此能够行驶在4英尺深的冰雪和积水路面，能够向前爬50度陡坡，向后爬30度陡坡。它还能在远低于-50华氏度的环境温度下工作，具有发射较重的有效载荷（最重3623kg）的能力。 尽管新型发射车与Delta III号相比拥有更多的功能，但是它依然需要在发放前进行一些“地形准备”。目前，雷神公司（威廉姆斯机场所有气球项目的主要承包商）每年都需要耗费3-4周的时间使用推土机和“羊蹄”滚筒来清理发射场，以清除冬季所特有的地面裂缝并夯实地表。这项操作必不可少，否则难以保证The Boss 发射车在地面上正常工作。 LDB远程通信系统的最初设计是基于INMARSAT和ARGOS（HF系统）的组合。INMARSAT使用文本消息发送指令，并且通过接收有限的数据以显示飞行状态，而ARGOS则是通过一种下行链路提供有限的飞行数据。HF系统使用麦克默多站的发射机向气球发送有限数量的命令数据，该过程将气球和地面上的非专业无线电收发机作为一个通讯系统，以此接收气球状态数据并对其发送命令。 然而，在1989年NASA 的LDB最早两次飞行中，HF系统出现了故障，导致电缆切割器过早启动。显然，某些回路电流接地导致HF系统点燃并发生了爆炸。在这两次飞行之后，气球上的高频发射器就被移除了。 在南极洲进行的早期LDB飞行项目中，很难从气球上实时获得任何大量的科学数据。如果科学家们想要获得实时数据，他们必须自己提供发射机/天线系统，甚至需要使用视距覆盖。因此，必须使用机载磁盘作为通用的数据存储系统，而且飞行结束后仪器的数据恢复成为任务成功的关键因素。 针对上述问题，科学家们研究了几种解决方案，包括在气球可能飞行的轨迹上利用太阳能自动遥测中继站提前缓存数据；甚至也包括使用小型超压气球作为地面站与飞行中的气球之间的连接。然而，这两个概念自始至终都停留在理论层面。在90年代中期，NSBF的LDB小组开发出一种方法：使用TDRSS低成本应答机来增加在南极LDB气球的实时数据传输速率，该方法是通过可靠性较高的双向覆盖方法来实现的。随着这一技术的发展，对南极LDB气球的数据和状态的实时监测由德克萨斯州Palestine市的NSBF展开。另外，LDB在飞行过程中也拥有了完全接受指挥的能力。 借助NASA的超长时间高空气球（ULDB）发展计划，NSBF在2004年12月开展了南极第一个LDB项目——CREAM项目，在这项任务中进行了一项关键性的技术变革，即在项目中通过跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)的可操纵高增益天线，实时传送大量的科学与状态数据（最大85kbps），保存了机载数据档案。此外，气球从发射到发射后大约12小时内，都可以通过视距（LOS）发射机被控制，并一直持续到它越过地平线，此时控制权就由南极大陆转移到了马里兰大学的科学操作中心(SOC)和NASA的Wallops飞行机构（WFF）的工程技术支持中心（ESC）。主命令通过TDRSS进行上行传输，但是当主链路由于调度或其它原因而不可用时就会将铱星用做备份。 在整个飞行过程中，命令上行链路和数据下行链路的这种近乎连续的通讯能力，能够对有效载荷上变化的条件作出快速的响应，并且更加密切地监视系统的运行状态。 任务终止程序是从大力神C-130飞机上发送的，该飞机飞到由视距确定的气球位置，以发送终止飞行的命令。为了达成这个目的，专门设计和建造了一个小型设备机架，以安装在装有遥测设备和指挥系统的C-130货盘上。在C-130顶部的逃生舱口中还研制了一个命令/遥测天线，当飞机用于终止气球的任务时，该逃生舱口可以代替普通舱口。在下边图中可以看到一个CSBF技术人员正在操作设备，以终止2007年的ATIC飞行任务。
自从引进了自带降落伞的自动切断系统以来，LDB气球已经不再由德克萨斯州Palestine市的NSBF控制中心进行终止操作。在此之前，C-130都要观察悬挂降落伞的有效载荷回到地面后的情况，以便当时可以从飞机发送手动命令以切断降落伞，防止降落伞兜风并将有效载荷拖曳在地面上。 虽然在南极的飞行都能够成功地记录数据，但是载荷的回收通常并不那么顺利。这是因为许多以前的气球吊舱在设计之初没有把载荷回收的具体要求(特别是需要现场分解)作为主要设计依据。 原则上来说，C-130重型升力货机可以在南极大陆上任何一块面积较大的地方着陆，它可以把最大的气球载荷在现场分解回收。但是实际情况受到了多条件约束。首先，美国的南极计划绝对不会给飞机和机组人员带来危险，除非在着陆区拥有重大危险时才会使用C-130采取救援行动。直升机和Twin-Otter飞机可以安全地降落在很多地点，这些地方是C-130绝对不会冒险降落的。 由于气球通常在12月下旬到1月下旬发射，所以回收工作在2月中旬到下旬的时候进行，也就是冬季项目结束的时候。此时，飞机航班被大量预订，与硬件回收团队相比，现场回收团队具有最高优先级。 作为一个面临复杂情况的团队，回收操作经常需要在非常恶劣的天气下进行，回收团队必须在撤离发放站点之前的极其有限的工作时间内完成任务。此外，由于着陆点的高度较高，团队成员的体能也成为了限制工作进展的一个重要问题。经历了在高海拔冰原地区回收吊舱的痛苦历程后，现在只会计划在海拔较低的地区终止飞行并回收吊舱。
相比较于加拿大的Lynn Lake和Manitoba等较远的地区，美国用来支持NSF麦克默多站的后勤系统使得NASA向南极运送气球、支持设备、科学载荷和补给变得更加容易。用来支撑NASA的LDB项目后勤的所需经费在未来依然有巨大缺口。 尽管很少，但是依然有人认为气球的发放不应该仅限于NASA的LDB小组。最近的一次发放试验是在2005年8月至10月间进行的，同样也是在威廉姆斯机场，当时一个法国科学团体来到了这片白色大陆，他们发放的超压气球项目名为VORCORE。 在将近80天的时间里，法国研究机构CNRS的气球动力学实验室的科学家和空间机构CNES的气球部门的技术人员总共发放了27个这样的小气球。它们沿着比自己大很多的美国气球所飞行过的轨迹，绕南极作环状飞行。 最后，值得一提的是，除了威廉姆斯机场的气球行动，多年来麦克默多还进行了几次其他的气球活动。例如，一些机构和大学的科学小组都在麦克默多进行了小型气球发放。这些发放都是使用小型设备进行的，这些设备可以保证在没有专用硬件设施的情况下，依然能实施飞行任务，甚至有些发放必须由科学家自己手动完成。 |
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