当您想到创新的新太空发射概念时，您可能会想到像 SpaceX 的星际飞船或美国宇航局的太空发射系统这样的火箭，它将望远镜或机器人探索者送入轨道及更远的地方。当然，火箭将继续存在，它仍然是携带物体超越地球引力的主要方式。然而，另一种更便宜的选择可能来自一种更古老的技术形式：气球。
几个世纪以来，充满热空气或气体的气球一直被高空升空， 早在公元 3 世纪就有中国古代军队使用气球发出信号的记录，以及1780 年代在欧洲开始载人气球飞行的记录。它们也被用于天文学研究，例如美国 1960 年代的观星计划，该计划将两名男子和一架望远镜送入 82,000 英尺（25 公里）的高空气球中观察星星。
现在，美国宇航局气球技术的最新发展意味着气球可能再次证明其在尖端天文学项目中的价值，将高科技望远镜带入大气层，从那里可以观察宇宙。我们采访了一位研究新一代气球望远镜的研究人员，多伦多大学的 Mohamed Shaaban，了解如何将这项旧技术投入到全新的用途中。
涨涨客场
要了解为什么气球在望远镜任务中具有如此巨大的潜力，您需要首先了解我们为什么将望远镜送入轨道。虽然地面上有很多望远镜在做着出色的工作，但如果你想观察真正遥远的物体，那么你需要考虑地球大气造成的问题。
最大的问题是大气中的水蒸气，它模糊了地面望远镜拍摄的图像。这就是为什么望远镜经常被放置在非常干燥和高海拔的地方，比如夏威夷的莫纳克亚山或智利的阿塔卡马沙漠。但最好的解决方案是从大气层上方观察遥远的物体，这就是为什么像哈勃这样的望远镜被送入轨道的原因。
传统上，如果你想把望远镜放在大气层上方，那么你需要用火箭将它送入轨道。这很昂贵而且不容易做到——而且解决任何发生的需要更换硬件的问题都非常昂贵——但它是一种高度可靠的避开地球大气层的方法。
另一方面，气球已经在科学研究中使用了几十年，通常在南极洲上空。以前将气球用于望远镜的问题一直是光问题。大多数科学气球都是在南极洲发射的，因为研究硬件一般由太阳能电池板供电，只能在白天运行，而南极洲在夏季有24 小时的日光。但这意味着您仅限于白天可以完成的研究，这对于望远镜来说并不是很好。
但是美国宇航局新开发的气球，称为超压气球，可以在地球的中纬度地区运行，并且可以在白天和黑夜循环中工作。 “我们将第一次能够[用气球] 进行夜间科学，”Shaaban 说，这为启用一系列天文学项目打开了大门。
一种新型气球
气球作为携带望远镜的方法有很大的优势。首先，发射气球比发射火箭便宜得多。此外，您可以非常轻松地将望远镜带回地球，然后重新启动它，因此如果您必须进行任何维护，那么它相对容易。当你考虑到哈勃望远镜在 1990 年发射后不久就遇到硬件问题时，对它进行维护是多么困难和复杂，这是一件大事。
“有了气球，它的美妙之处在于你有可恢复的发射，”沙班说。 “所以你多次启动系统。所以你把一些东西放在一起，它不必第一次工作——因为你要启动它一个晚上来测试它，然后把它放下并重复。所以你不需要轨道[任务]所需的非常激进的测试结构。”
正是这种复杂的测试推高了轨道任务的价格。确保每件硬件都能正常工作，每样东西都有多个冗余，所有这些冗余也可以相互配合——这就是空间项目预算飙升的原因。
使用气球，您可以更轻松地迭代和调整硬件设计。如果你将气球送入大气层边缘足够高的地方，你将获得几乎所有在轨道上减少水蒸气的优势。
传统的气球，称为零压力气球，通过在太阳升起时排出气体并使气体膨胀来工作。当太阳下山时，气体会收缩，气球也会下降。新的超压气球通过保持气体被控制，即使它膨胀。因为它没有通风，所以当太阳下山时，气球可以保持在高处，让它在晚上继续工作几个月。与之前可能的几天相比，NASA 的超压气球预计将持续运行 30 到 100 个晚上。
由气球升起的望远镜
Shabaan 和他的同事们正在他们的望远镜项目中使用这种新型 NASA 气球。他们有一个名为 SuperBIT 的项目，该项目将使用复杂的自主软件将望远镜保持在空中并指向正确的方向。通过感知气球的微小运动并自动对其进行补偿，他们的望远镜可以以前所未有的细节水平观察星星，以完成基于气球的任务。
保持望远镜指向一个方向的问题对于准确观测至关重要，而 SuperBIT 有一种独特的方法。望远镜安装在外框架、中框架和内框架中，每个框架都在不同的轴上移动：偏航、俯仰和滚动。结合起来，这些允许望远镜指向天空中的任何地方。 “这意味着，如果我经历了一些运动，我可以通过向这三个方向中的任何一个方向移动来撤消它，”Shaaban 解释说。
这提供了基本水平的稳定性，但对于真正准确的读数，它需要更加稳定。望远镜内部有一面镜子，它可以以每秒 50 次的极快速度移动。当光线进入望远镜并由于望远镜的轻微移动而出现晃动时，反射镜会针对该移动进行调整，使其不晃动地到达传感器。镜子需要进行的运动是使用来自望远镜各处传感器的数据计算出来的，因此望远镜可以完全自主稳定。
那些对小运动的修正不是使用推进器进行的，这需要燃料。相反，它们是利用气球本身的大小制成的，Shaaban 解释说：“SuperBIT 的工作方式是它会感知这些运动，并且它会有电机扭转气球以撤销这些运动，这意味着它基本上是抓住动量并将其倾倒到气球上。但是气球那么大，就像往大海里倒一杯水一样。海平面不会上升。”电动机依靠电池供电，电池由太阳能电池板充电，因此无需担心燃料。
所
有这一切的结果是一个气球，它可以锁定天空中的一个方向，以高精度进行观察。 “你告诉 SuperBIT 指向它，它就会指向，”Shaaban 说。 “它会看着一个东西并跟踪它。它将确保，从相机的角度来看，那个东西的移动时间不超过 20 毫秒，”他解释道。这使得 SuperBIT 成为有史以来第一个受衍射限制的非太空望远镜，因为它既位于大气层之上，而且读数中的抖动量基本上为零，使其成为强大的科学工具。
如何飞行绑在气球上的望远镜
这就是你如何用气球瞄准望远镜。但是移动气球本身呢？当谈到气球时，将它们准确地放在您想要的位置可能是一个挑战。 “很难准确驾驭，但相对容易驾驭，” Shaaban解释说。那是因为您可以利用天气模型来找到朝您想要去的方向吹的风，并通过调整高度进入这些洋流。这使您可以大致沿您需要的方向移动气球。
然而，当承载的负载非常重时，转向变得更加困难，例如望远镜。但幸运的是，大多数科学应用实际上并不需要气球处于地球上的特定位置——它们达到的高度要重要得多。此类任务的唯一问题是运营商必须避免让气球飞越人口稠密的地区，以确保公共安全。
气球上升到 35 到 40 公里（20 到 25 英里）的高度，位于被称为平流层的大气区域。作为参考，它高于飞机飞行的位置，但低于 SpaceX 的 Starlink 星座等卫星位于非常低地球轨道的位置。这足够高到可以看到行星的曲率，但还没有高到可以看到整个地球。它不是最吸引人的环境——它很冷，在 -30 到 -40°C（-22 到 -40°F）之间，但不像轨道空间那么冷。那里也有令人讨厌的辐射，尽管没有在轨道上那么糟糕。因此，那里的工程考虑与轨道任务设计没有什么不同，Shaaban 说：“这是空间，但在我们面临的挑战方面有所不同。”
望远镜的可回收性带来了另一个挑战：如果你想回收气球负载并重新使用它，你不希望你的望远镜被倾倒在难以接近的地方。在 SuperBIT 的试飞期间，该团队仔细选择了他们的行动基地，从德克萨斯州的巴勒斯坦或安大略省的蒂明斯发射，这两个地方都被大片土地所包围，这些土地无人居住，但很容易从中回收望远镜。
至于降落气球，这可能是一个颠簸的旅程。 “我们真的会弹出气球，”Shaaban 说。 “气球爆裂，然后你扔出降落伞。这有点像跳伞任务。”为了在测试 SuperBIT 硬件时缓冲着陆的冲击，该团队在望远镜上添加了防撞垫以吸收一些动力。有时他们很幸运，望远镜从它剧烈的下降过程中相对安然无恙地着陆。但其他时候，硬件在着陆时严重受损。
即使是严重损坏的望远镜也不是世界末日，因为修理它仍然比从头开始建造新望远镜便宜。 “翻新一个被摧毁的着陆任务比测试它要便宜得多，因此它可以第一次工作，”他解释说。
如果有一个整体信息可以从中得到，那就是在面临潜在的未知和极端条件时，将太空硬件测试到所需的准确度是非常非常昂贵的。任何方法都有一个很大的优势，它可以让您启动任务并在出现问题时进行迭代，而不是面对试图预测和考虑任何可能问题的不可能任务。
“以低成本模拟 [太空] 环境真的非常非常困难，”Shaaban 强调说。 “但事实证明，在气球飞行方面，前往这些环境既便宜又容易。”
SuperBIT 及其他
SuperBIT已经通过了几次试飞，并正在为科学飞行做准备，不幸的是，这次飞行被大流行推迟了。但这台望远镜只是一个开始：该项目的真正重点是它的继任者，暂定名为 GigaBIT。
“SuperBIT 是一个探路者实验，”Shaaban 说。该研究的长期目标是制造可在超压气球上飞行的最高分辨率望远镜，以满足天文学家对通过可见光和近紫外波长进行高分辨率成像的需求，成本要低得多.
这是必要的，因为像哈勃这样的望远镜已经超额认购，这意味着更多的项目想要使用它们，而不是可能给予的观察时间。因此，该团队正在建造一个更强大的望远镜来满足这一需求。基本硬件将类似于 SuperBIT，但望远镜会更大，以提供更高分辨率的成像。为了在增加更大望远镜的同时保持重量，由于 SuperBIT 已经达到气球可以承载的最大质量，GigaBIT 将使用不同的材料，如碳纤维代替铝。
如果一系列气球能够携带像这样的高分辨率望远镜，并根据需要定期发射和着陆，这对全世界的天文学家来说将是无价的帮助。
这并不是说他们希望让像哈勃这样的望远镜过时，Shaaban 说：“哈勃的分辨率比 SuperBIT 高得多，但视场也小得多。所以它既不好也不坏，只是不同而已。它有一套完全不同的科学问题可以解决。”
凭借基于气球的望远镜的所有潜力，您可能会期望它的倡导者将它们宣传为优于像哈勃这样的太空望远镜。但是，Shaaban 完全不是这种情况——相反，他强调了地基、气球和天基仪器之间合作的潜力。
将基于气球的望远镜投入使用意味着可以进行更多研究，这将使天文界的每个人都受益。 “天文学的美妙之处，”沙班说，“除了是一项非凡的、令人谦卑的努力之外，它还具有令人难以置信的协作性。”