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促进火星生命探测:飞在俄勒冈州的高空气球

 浮空君 2022-08-22 发布于北京
ByJes Burns (OPB)
Near Space Corporation 发射团队在俄勒冈州的马德拉斯市机场,对高空气球的顶部设备进行整理。
在一个的秋天早晨,尽管天气寒冷,马德拉斯机场远处的Jefferson山依然被晨光染成了粉红色。来自Near Space Corporation的Vic Rogers带领着团队通宵工作,为高空气球的充气做准备。
“我们要清理充气软管,”他对着他的团队喊道,此时团队成员们都在装满氦气罐的卡车旁工作。“我只想通入一点气体,把脏东西、虫子或其他东西弄出来。”在清理过程中,充气管随着一小部分气体的进入发出嘶哑的声音,然后清理工作结束。
在一旁,公司总裁Kevin Tucker在停机坪上倚靠着一根大充气软管。他说:“大家已经准备好开始充气了。我们将使用氦气充气,它会沿着充气管上升并进入气球的主气囊。”低沉的嘶嘶声再次出现,随着气流的增加嘶鸣声也变得尖锐聒噪起来。气球半透明的白色顶部翻滚最终脱离地面,锚定在拖车上的绞盘上。
这不是儿童气球也不是热气球。Tucker所参加充气的气球约有500英尺高,大约为50层楼的高度。气球只会对部分体积进行充气,因为里面的气体会随着高度上升而发生膨胀。Tucker说:“每上升10000英尺气球体积就会加倍,因此气球开始看起来有点像一个不太满的袋子,一旦上升到100000英尺,它看起来就会像一个伸展开的气球了”。这个巨大的气球将携带来自欧洲航天局(European Space Agency)的载荷进入平流层,以测试新火星探测器的降落伞。
经过一个通宵的工作,Near Space公司总裁Kevin Tucker (右) 依然继续工作,他抓住充气软管和充气管连接处的扩散器进行充气。
不大可能在俄勒冈州
当你想到航空航天科技工业时,俄勒冈州可能不会第一时间出现在你的脑海中。相反,你可能会想到华盛顿的波音公司,佛罗里达州或德克萨斯州的NASA,甚至加利福尼亚州的SpaceX。但俄勒冈州在辅助太空探索方面有着悠久的历史,其主要作用是为新设备和飞行器提供试验场地。
总部位于Tillamook的Near Space公司以高空气球而闻名,高空气球是世界各地海岸和俄勒冈州中部航天机构的一种测试设备。Tucker说:“我认为人们最感兴趣、最难以置信的事情是,这是一支来自于俄勒冈州Tillamook的放球团队。”
欧空局的ExoMars任务是这一轮测试的重点。这次任务的目标是回答一个问题:火星上曾经有生命吗?ExoMars任务团队负责人Thierry Blancquaert说:“我记得我还是个孩子的时候,我在观看《维京任务》,等着听火星人的故事,那些想象中应该是黄绿色的外星人物却从未出现过”。如果火星上有生命,那么更可能是微生物而不是火星人。
欧空局的火星探测车将使用钻机寻找表征地下生命的证据。他说:“当我们观察行星的演化时,火星可能会告诉我们一些有趣的事情,甚至可能是关于地球的演化”。但在火星球车开始工作之前,它必须先安全着陆在行星表面,它将通过一系列突破性的动作来实现这一点,其中包括有史以来最大的降落伞。降落伞在展开时需要承受12-14吨的力,这种力会造成很多复杂的问题。
Blancquaert说:“这个降落伞是由非常薄的尼龙材料制成的,当你以非常高的速度从Kevlar袋中拉出尼龙材料时,就会有烧掉降落伞面料的风险”。这情况在之前的测试中发生过,最终导致降落伞撕裂。这也是欧洲测试团队在这次试验中将要探索解决的问题。
俄勒冈州中部是进行这种降落伞测试的一个近乎完美的地方,因为它地处偏远,天气相对稳定,当你试图将一个巨大的气球和一个测试模块送上10万英尺高空时,一切都很好。Tucker说:“直线上升约25英里是非常高的高度。此时气球处于99.9%的地球大气层之外。” 高是一项关键因素,火星的大气密度不如地球上的大气密度高。因此为了复制降落伞在火星上所处的环境条件,它需要在地球大气层稀薄的地方被释放。“气球是一种搭载设备到所需高度的优雅方式”他说。
在发射前几个月,每个气球都在Tillamook的Near Space公司总部手工组装和测试。
不仅仅是个气球
高空气球首次在高沙漠上空亮相之前,它们是在Tillamook附近Near Space公司总部建造和测试的。这些气球是由一种结实、透明的塑料制成的,就像类固醇保鲜膜。这种原料的长条形材料在商业上被称为“gores”,是在长达数百英尺的窄桌子上融合在一起的。Near Space公司航空质量主管阿曼达·克努特森(Amanda Knutson)和技术员斯坦·里士满(Stan Richmond)负责在每个生产日的开始和结束时对接缝进行强度和耐久性测试。“这是一个合格标准测试,” Knutson说。“我们将它们拉扯断,这是一种破坏性的测试。”
这就是“张力测试”,在测试实验室里有一台机器被称为“恒速拉伸机器”,它抓住了两个从中间融合在一起的材料。Richmond将样品装载上去,“好吧,让我们看看会发生什么,”他说。“祈祷好运,我总是这样!”。当机器的两臂开始拉扯,材料在伸展时像橡皮筋一样变窄。它的长度会变为原来的10倍,然后是20倍。几秒钟后,预期的压力看起来就像是让气球装满了水,此时我们就知道它随时都会爆炸。
但样品需要整整一分钟才能发出令人满意的“啪”一声。当它发出声音时,分离的不是中间的接缝处,而是材料本身。“这是一次成功的测试,”Richmond说。“这就是我们所希望的,密封件实际上比周围的材料更坚固。”
充气管将氦气送入气球的顶部。
进行发放
在马德拉斯机场的发射时间到了,氦气管线被断开并移除。Vic Rogers在做最后一分钟的检查,清除跑道上除了关键机组人员以外的所有东西。一切似乎都静悄悄的,他发出释放气球的信号。巨大的气球升起,响动惊人。它将未填充的下封套和连接线拉向上。一股微风吹过一辆吊车的顶部,将其吹下跑道,吊车将有效载荷悬挂在离地面几英尺的地方。在完美的协调下,气球将所有松弛部分拉出管线,起重机释放模块,这一过程中气球甚至连跑道都不碰。
这只白色的气球升入冬季的蓝天,速度加快。机场的通信机组人员跟踪气球的飞行,通过无线电定期更新状态。“目前的上升速度是每分钟1080英尺,”,因此气球会被拉扯的嘎嘎作响。当风把气球吹向东南穿过高高的沙漠时,气球看起来渐渐缩小并飞向远处。
进行部分充气的高空气球在跑道上吊车牵引下飘向天空。当它完全伸展和垂直时,卡车将释放ESA载荷模块,而不会撞击地面。
走,找到它
当机场的通信机组人员追踪气球的飞行时,另一个地面小组在顺风方向约两小时路程发现了气球的踪迹。“它是从这边来的。我在地图上找到的。它在Prineville以东,离Ochocos不远,”国家安全委员会回收小组组长杰克·杨(Jake Young)报告说,他的工作是在沙漠中追踪并找回降落伞和载荷模块,然后最终找到已经漏气的气球。“当我们终止飞行时,这些碎片将分离,我们能够在它们分离时跟踪每个碎片,”他说。
回收小组在一条乡村公路旁等待气球达到目标高度。他们不想让任何东西砸到平民或私人财产上。如果气球升得太快或太慢,它可能会极大地改变碎片降落的位置,这意味着Young的团队人员必须保持灵活的机动性。“流畅性”Young纠正道,“我认为这是实现快速性的下一个等级目标。” 气球终于出现了,远处出现一个白色的斑点。“我们得到了美国联邦航空局的批准,”Young的电台咆哮道。“一分钟后切割。”,“现在释放有效载荷!”。
欧洲航天局的载荷模块漂浮在俄勒冈州中部,由一个高空气球牵引。
艰难的回收之路
欧空局的载荷模块降落地点距离最近的公路有五英里,因此回收人员将把设备装载到四辆全地形车上,沿着崎岖不平的开阔道路穿越沙漠。土路颠簸不平,车辙上带有冰,队员们穿过牛栏,靠近在牧场上吃草的牛。头顶上的一架侦察机正在引导Young找到降落伞的位置,他让车队停下来以向其他队员汇报情况。“这是非常有趣的部分!”为了盖过发动机噪音,他大喊大叫。“因为我的飞机有通讯,所以由我带路。侦察机正陪我们一起寻找,我希望降落的载荷设备在我们和那些树之间”。远处的一座小山上长着一株杜松树,这让Near Space和欧空局的人们开始担心回收过程能够顺利进行。
回收队长杰克·杨指挥他的团队前往欧空局降落伞的着陆地点。离最近的道路有5英里。
“我们希望找到的是一个漂亮的原始降落伞,以及完好无损的测试飞行器和一些好数据,”欧空局承包商Vorticity Systems的工程师乔·林奇(Joe Lynch)说。降落伞最后落在一片开阔的灌木树丛中。“从某种意义上说,降落的灌木丛很低,这很好,因为它不在树上,所以这是一个加分项”Young说,“但如果追求一个完美的结果的话,它应该更接近一条道路。”
European的小组不失时机地记录了降落伞的状况,降落伞被卷入了地被植物中,而载荷模块本身完好无损。“很高兴看到它完好无损,”Lynch一边说一边给设备拍照。降落伞上没有明显的损坏迹象,但在返回欧洲之前,他们无法确定降落伞是否损坏,回到欧洲后他们将检查降落伞的每一寸。“这是两天中回收到的最完好的部分,还有很多碎片需要检查”他说。
研究结果将对欧空局的外火星任务产生重要影响,该任务最初计划于2022年9月与俄罗斯航天局Roscosmos合作发射。但由于俄罗斯入侵乌克兰并退出国际空间行动,欧盟对俄罗斯实施了制裁,发射日期已经暂停。
在地面上,回收队伍小心地解开并卷起降落伞。他们把它装进一个袋子,绑在载荷舱顶部。他们得到了一个短暂的休息,等待直升机来把载荷设备空运回文明世界。
高空试验持续时间将很快接近24小时,还有更多的清理工作要做。但在漫长的一天结束时,Kevin Tucker和他的团队知道,下一次火星任务的关键降落伞模型必须在俄勒冈州着陆。
“你将搭载一个重达一吨左右的东西穿越大气层,然后把它带回地球,最后再去回收,等一切都完成,所有人都回来了,就可以安心地度过一个美好的夜晚了。”
Near Space公司的回收人员前往俄勒冈州中部的偏远地区,到达降落伞的着陆点。

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