用大型飞艇充当科学观测平台的构想
又一篇最近放出的有趣的文章，探讨用大型飞艇充当科学观测平台的可能性和前景，算是对去年凯克空间研究所主办的相关研讨会的总结报告。虽然现在对高空飞艇的开发一直没有停止，但是此类轻于空气的飞行器几乎已经从普通人视野中淡出了数十年。如果飞艇平台最终变成了现实，这一古老的航空器将再一次站到研究的最前沿，重新焕发出青春。
简单来说，高空飞艇在同温层工作，可以在某一地点上空停留数周至数年之久。文中的高空对应高度在6万英尺（不到2万米）以上，这里大气稀薄而干燥，且风速较低。与轨道卫星相比，飞艇的优势在于灵活性更高，因为可以以此为平台反复测试新技术新仪器，而不必顾虑高昂的发射成本，同时艇载仪器开发周期也较短。而与探空火箭或高空气球相比，飞艇显然可以工作得更长，还可以做到定点工作，而且也不像某些大型气球平台那样只能部署在南极，而是可以根据需要前往任何地方。
大型飞艇观测平台的概念图，其上方搭载有大型望远镜用于观测宇宙，下方搭载有一系列的对地和大气研究设备。图片提供：Mike Hughes (Eagre Interactive)/Keck Institute for Space Studies
对于天文学和空间科学来说，诸多的前沿进展都有赖于在大气之上进行的研究。这样做一来可以避免大气湍动的影响，二来也可以一览被大气吸收的波段。在地面上，前者尚可通过自适应光学技术来进行补偿，但后者不要说地面望远镜了，就连SOFIA这样的高空机载天文台都没有能力完全回避，而这些波段往往又是研究恒星形成、早期宇宙演化、系外行星等热门领域所必需的。由于飞艇的工作高度超过了水分冻结所需的1.5万米，水蒸汽对远红外和亚毫米波的吸收大大减弱，来自宇宙的X射线也可以穿透这里，艇载仪器也有能力探索这些无法穿透大气层的波段。
不同高度下大气对不同波段通过率的比较，可见飞艇平台明显优于地面与机载天文台。图片来源：Congressional Budget Office’s 2011 report
就具体的课题而言，文中提出了黑洞视界的亚毫米波干涉成像、原行星盘的亚毫米波干涉成像，还有拍摄原初星系、银河系的伴星系或重子声波振荡和弱引力透镜等对仪器要求甚高的图像等几个选择，还给出了先期预研的计划。这里有的课题还要靠于多飞艇的协同观测来实现。如果能够最终得以实施，这无疑会大大促进人们对天体物理前沿课题的了解。
除了空间科学领域，飞艇对于对地观察来说也是理想的。飞艇可以提供高分辨率观测平台，又可以应对持续研究中小尺度区域的要求（而这是轨道卫星难以应对的工作），还毋须考虑人员派遣、设备安放等地面监测必须要面临的一系列棘手问题。更不要提及的是大型飞艇在大气监控、污染防治、偏远地区通信服务、军用侦察等领域的独到之处了。当然在实际应用中，大可以将对空和对地设备结合在同一平台上，达到一箭双雕的效果。
暂且不计大型飞艇本身的设计建造难度，如果要在同温层工作，就必须要应对低温、低气压、强辐射、散热、保温等同温层准太空环境带来的一系列问题。对于仪器来说这也许不算什么，毕竟比起星载仪器这都是小菜一碟。对于飞艇本身来说，最大的挑战在于保持提供升力的气体（现在主要是氦气）的热平衡，既要确保艇身结构足以应对不同高度下气压的变化，也要保证升力足够。
如今正在开发中或者已经提议的高空飞艇都是混合式布局，与传统飞艇相比，它们不仅可以依靠氦气的浮力飞行，符合空气动力学远离的流线型外观提供的额外升力也可以助其一臂之力。此外新型推进技术（如矢量推力）可以增强飞艇的操控性能。以艇身气囊有无支撑结构划分，飞艇大抵可以分为硬式（如拥有轻质合金框架的齐柏林飞艇）、软式（如纯凭气压支撑的固特异飞艇）和半软式三种。这些高空飞艇大抵采用了软式结构。至于飞艇工作所需的能源，基本是由搭载的太阳能电池提供的。
美国正在开发或提议的一系列新式飞艇尺寸对比图。图片来源：Miller et al. 2014
在图中上方的高空飞艇中，HiSentinel以及HALE-D都已经进行过了试飞。其中后者在2011年的试飞中由于上升阶段遇到了故障，只达到了32000英尺（约1万米）的高度，艇体在回收期间还遇火被毁。前者比较成功，在6次试飞期间有5次达到了65000英尺（2万米）以上的高空，论证了同温层飞艇所必需的技术。
需要指出的是，所有这些计划都有着军方背景。如果将飞艇用作科研平台的话，很多困扰军用飞艇的难题，如雷达反射截面过大、机动性不足等等，都不复存在了，甚至还可以当成是独有的优点。但当前最大的问题在于，所有试飞都只局限于短期，由于资金问题，同温层飞艇的长时间运转还没有测试过。因此文中提议发起竞赛计划，奖励能够实现携带20千克以上科研载荷、在2万米高空之上停留超过20小时的动力飞艇团队。同时，还可以充分利用现有的低空飞艇进行对地观测。
哪怕最终解决了飞艇本身的问题，艇载观测平台在正式投入使用之前还存在很多仍待回答的问题，如成本、结构、仪器安排等等。不过我个人的问题是：地球上现有的氦气储量还禁得起如此折腾么？不是有说氦气供应不足，欧美各国已经开始宣传民用节庆气球尽量不要灌注氦气了么，那这种大型飞艇的开发和测试……
