趁着日全食,NASA这次玩了个大的
出品:科普中国
制作:中国科学院光电研究院 黄宛宁
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  中国有句老话:“纸上得来终觉浅 绝知此事要躬行,” 

  要想利用821日这次千载难逢的日全食机会让学生们体验到天文学的独特魅力,最好的办法就是让他们全都参与到观测中去! 

  所以,NASA启动了庞大的日食气球计划。 

   

  项目团队大合影 

  821日,来自美国大学和高中的57个团队将在全美境内超过30处同时实施高空气球发放,发放地点横贯整个日食观测的最佳路径,从俄勒冈州到南卡罗莱纳,利用高空气球从临近空间观测日食,并将视频和图像发送到NASA的网站。 

  临近空间是什么? 

  临近空间通常指高度20-100km左右的地球空间。 

  2004年美国召开的“空军太空战区临近空间峰会”上,来自美国国防部、其它政府部门、工业界和学术界的大约100位代表一致同意将“临近空间”大致定义为距地面20km65000英尺)至100km的区域;其后,在美国空军发布的临近空间研究报告以及世界各国的相关学术论文和国际会议上,也都进一步确认或认可了这种定义。 

  从临近空间拍摄的日全食视频和照片极其稀有,令人神往。 

  日全食是罕见的具有巨大影响力的天文现象,北美洲的上一次日全食要追溯到1979年。 

  高空气球观测日食项目,将从一个独特的视角,以一种叹为观止的方式吸引公众的目光。 

  而之前仅在2012年在澳大利亚有过一次临近空间日食观测,但是,还从来没有人对日全食进行临近空间的现场直播,当然,也没有横跨整个北美洲的联网直播。 

   

  本项目遍布全美的高空气球发放地点 

   

  从地面,太空边缘和国际空间站观测日全食的对比图 

    

  NASA这次准备怎么“玩”? 

  下面用一张图来说明NASA的日食气球项目的全部内容: 

   

   该项目的参与者是57个来自全美各大高校及高中的高空气球团队,气球将会在821日,日食当天同步发放至30.5km高空,在日食现象结束之后升空到顶爆裂。 

  项目由蒙大拿空间基金进行组织和计划,并得到了许多其他空间基金财团的资助。 

   

  HAB任务剖面:发放-上升-气球爆裂-降落伞减速下降-回收 

   

  通用载荷系统  

      日食气球项目的通用载荷系统由上图的ABCD四部分组成: 

  A—切割器:根据需要,执行切断连接载荷与气球的绳索的指令。 

  切割器是高空科学气球系统中的常规设备,切断载荷与气球的绳索之后,意味着飞行试验的终止,气球会因为失去配重而迅速上升膨胀,短时间内就会爆炸;而下面的载荷则依靠降落伞的缓冲返回地面。 

  B—跟踪载荷:携带一个NAL铱星卫星调制解调器和GPS接收机,使FAA(联邦航空管理局)和地面站能够对气球和载荷进行实时的跟踪。 

  C—静态拍照载荷:使用Raspberry Pi相机和900Mhz的调制解调器,可以将照片传输至地面站,也可以与载荷进行指令通信。 

  D—摄像载荷:利用一个Raspberry Pi相机摄像,并通过一个5.8GhzUbiquiti公司的调制解调器将高清视频回传到地面站。 

  E—地面站:在跟踪气球飞行状态的同时,地面测控站收集来自气球的准实时高清视频流,并上传到网络上。地面站也允许用户接收照片,并发送指令给静态拍照载荷。 

     视频和图像传输至地面站计算机以后,被直接推送上线,任何可以上网的地方,使用手机,电脑还是其他终端都可以看到日食的在线视频。大家可以在stream eclipse.live网站在线观看从临近空间高度拍摄的日食盛况。 

    

  NASA为什么要开展如此庞大的计划呢? 

  1.提供公众参与度:日全食是罕见并且有巨大影响力的事件。日食气球项目处于特殊观测的高度—临近空间,在日食发生的时候,可以用这种令人惊叹的教育方式吸引公众的目光。 

  2.锻炼团队协作能力:这个项目为参与项目的几百名学生提供了一个千载难逢的学习机会。 

  3.拓展合作渠道:通过该项目的执行,已经发展了一些联邦机构的长期合作伙伴和赞助商,并且将继续深入合作。 

  项目关键时间节点: 

  1.日食持续时间:东部时间2017821日下1:17(俄勒冈州海岸)到下午2:47(南卡罗莱纳海岸)。 

  2.高空球上升速度一般在6m/s,到达30km高度的时间为1.38小时(乳胶式高空气球的爆裂高度可以超过30km,所以该项目中使用切割器在30km高度统一终止试验) 

  3.项目主要时间节点: 

  20167月,工作组制造完成通用载荷。 

  2016学术年,训练,练习,测试和头脑风暴。 

  20177月,所有参与的团队,组织演练。 

  2017821日,日全食发生。 

  挑战的乐趣 

  从太空边缘上传实时视频和图像到网络的通用载荷已经由一个高空气球的学术团队完成。但是从美国大陆上空开展组网飞行,把实时视频流传到NASA网站存在一些小挑战。 

  这些挑战为参与其中的学生提供千载难逢的训练机会,这对学生团队来说是振奋人心且意义非凡的。 

  这些挑战包括创造一个高空气球的球载下行链路系统,能够进行视频流的实时播放,团结国内众多导师和学生,获得工业合作者和赞助商的认可,并且获得必要的媒体认可,以便于在线视频能在NASA官网播出。 

  实验内容 

  除了常规相机载荷将提供准实时的地球上月亮的阴影和黑化的太阳的图片,团队还将视情况决定是否飞行第二组载荷。 

  NASA网站上届时也可以看到每个团队第二组载荷的信息和图像。第二组载荷飞行将与NOAA(国家海洋和大气管理局)和NSF(美国国家科学基金会)合作,届时会发放100个探空球来收集对我们环境有影响的日食的重要科学数据。 

  经费 

  NASA科学任务委员会为主载荷提供资金,大约每个气球系统(NASA基金号NNX16AB84G3700美元,个别的团队花费,比如差旅费,学生人员费和氦气费用则由当地的NASA空间基金委员会支持。 

      

  本次项目的主角高空气球究竟是何方神圣呢? 

  本项目中使用的高空气球英文简称为HAB,与我们在高空科学探索中使用的大型超薄聚乙烯材料气球不同(为了区别二者的不同,后者我们通常叫做高空科学气球)。 

  HAB使用的是乳胶气球,这在气象探空气球中很常用,它可以携带各类小型载荷达到临近空间。这种气球内部充填氦气或者氢气,随着高度的上升,气球会随之膨胀,直至升限,气球爆裂。 

  HAB的任务目标通常与载荷有关,每个载荷对应特定的目标。 

  HAB气球系统中必须包含一个降落伞,雷达角反射器(增加HAB系统的雷达反射面,便于地面空管雷达的追踪监控),和通信追踪器。 

   

  高空科学气球系统(超薄聚乙烯材料气球) 

   

  HAB系统(从上而下分别是:乳胶球,任务载荷,降落伞,角反射器) 

  HAB是如此的迷人,因为它可以让你快速低成本地探访太空!也因此,有些人叫它“穷人的太空项目”。 

  每天,人们都在全世界各地发放HAB 

   

  高空气球飞行高度参照图 

  在美国,国家气象服务中心每天会在遍布全美的气象站和机场发放2HAB气球来测量大气特性,以帮助他们进行气象预报,如果有极端天气,他们将在特殊地点发放第3HAB气球来增加预报模型的精度。 

   

  业余HAB爱好者的记录:(这里所指的都是乳胶球,最终都会膨胀爆裂) 

  可以看出,成本低廉的高空气球还是可以做很多事情的。 

  最后,放送一组日食的精美图片,预祝NASA的日食气球项目圆满成功! 

 

 

 

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