趁著日全食，NASA這次玩了個大的！

出品：科普中國

制作：中國科學院光電研究院黃宛寧

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

中國有句老話：“紙上得來終覺淺絕知此事要躬行，”

要想利用8月21日這次千載難逢的日全食機會讓學生們體驗到天文學的獨特魅力，最好的辦法就是讓他們全都參與到觀測中去！

所以，NASA啟動了龐大的日食氣球計劃。

項目團隊大合影

8月21日，來自美國大學和高中的57個團隊將在全美境內超過30處同時實施高空氣球發放，發放地點橫貫整個日食觀測的最佳路徑，從俄勒岡州到南卡羅萊納，利用高空氣球從臨近空間觀測日食，并將視頻和圖像發送到NASA的網站。

臨近空間是什么？

臨近空間通常指高度20-100km左右的地球空間。

在2004年美國召開的“空軍太空戰區臨近空間峰會”上，來自美國國防部、其它政府部門、工業界和學術界的大約100位代表一致同意將“臨近空間”大致定義為距地面20km（65000英尺）至100km的區域；其后，在美國空軍發布的臨近空間研究報告以及世界各國的相關學術論文和國際會議上，也都進一步確認或認可了這種定義。

從臨近空間拍攝的日全食視頻和照片極其稀有，令人神往。

日全食是罕見的具有巨大影響力的天文現象，北美洲的上一次日全食要追溯到1979年。

高空氣球觀測日食項目，將從一個獨特的視角，以一種嘆為觀止的方式吸引公眾的目光。

而之前僅在2012年在澳大利亞有過一次臨近空間日食觀測，但是，還從來沒有人對日全食進行臨近空間的現場直播，當然，也沒有橫跨整個北美洲的聯網直播。

本項目遍布全美的高空氣球發放地點

從地面，太空邊緣和國際空間站觀測日全食的對比圖

NASA這次準備怎么“玩”？

下面用一張圖來說明NASA的日食氣球項目的全部內容：

該項目的參與者是57個來自全美各大高校及高中的高空氣球團隊，氣球將會在8月21日，日食當天同步發放至30.5km高空，在日食現象結束之后升空到頂爆裂。

項目由蒙大拿空間基金進行組織和計劃，并得到了許多其他空間基金財團的資助。

HAB任務剖面：發放-上升-氣球爆裂-降落傘減速下降-回收

通用載荷系統

日食氣球項目的通用載荷系統由上圖的ABCD四部分組成：

A—切割器：根據需要，執行切斷連接載荷與氣球的繩索的指令。

切割器是高空科學氣球系統中的常規設備，切斷載荷與氣球的繩索之后，意味著飛行試驗的終止，氣球會因為失去配重而迅速上升膨脹，短時間內就會爆炸；而下面的載荷則依靠降落傘的緩沖返回地面。

B—跟蹤載荷：攜帶一個NAL銥星衛星調制解調器和GPS接收機，使FAA（聯邦航空管理局）和地面站能夠對氣球和載荷進行實時的跟蹤。

C—靜態拍照載荷：使用Raspberry Pi相機和900Mhz的調制解調器，可以將照片傳輸至地面站，也可以與載荷進行指令通信。

D—攝像載荷：利用一個Raspberry Pi相機攝像，并通過一個5.8Ghz的Ubiquiti公司的調制解調器將高清視頻回傳到地面站。

E—地面站：在跟蹤氣球飛行狀態的同時，地面測控站收集來自氣球的準實時高清視頻流，并上傳到網絡上。地面站也允許用戶接收照片，并發送指令給靜態拍照載荷。

視頻和圖像傳輸至地面站計算機以后，被直接推送上線，任何可以上網的地方，使用手機，電腦還是其他終端都可以看到日食的在線視頻。大家可以在stream eclipse.live網站在線觀看從臨近空間高度拍攝的日食盛況。

NASA為什么要開展如此龐大的計劃呢？

1.提供公眾參與度：日全食是罕見并且有巨大影響力的事件。日食氣球項目處于特殊觀測的高度—臨近空間，在日食發生的時候，可以用這種令人驚嘆的教育方式吸引公眾的目光。

2.鍛煉團隊協作能力：這個項目為參與項目的幾百名學生提供了一個千載難逢的學習機會。

3.拓展合作渠道：通過該項目的執行，已經發展了一些聯邦機構的長期合作伙伴和贊助商，并且將繼續深入合作。

項目關鍵時間節點：

1.日食持續時間：東部時間2017年8月21日下1:17（俄勒岡州海岸）到下午2:47（南卡羅萊納海岸）。

2.高空球上升速度一般在6m/s，到達30km高度的時間為1.38小時(乳膠式高空氣球的爆裂高度可以超過30km，所以該項目中使用切割器在30km高度統一終止試驗)。

3.項目主要時間節點：

2016年7月，工作組制造完成通用載荷。

2016學術年，訓練，練習，測試和頭腦風暴。

2017年7月，所有參與的團隊，組織演練。

2017年8月21日，日全食發生。

挑戰的樂趣：

從太空邊緣上傳實時視頻和圖像到網絡的通用載荷已經由一個高空氣球的學術團隊完成。但是從美國大陸上空開展組網飛行，把實時視頻流傳到NASA網站存在一些小挑戰。

這些挑戰為參與其中的學生提供千載難逢的訓練機會，這對學生團隊來說是振奮人心且意義非凡的。

這些挑戰包括創造一個高空氣球的球載下行鏈路系統，能夠進行視頻流的實時播放，團結國內眾多導師和學生，獲得工業合作者和贊助商的認可，并且獲得必要的媒體認可，以便于在線視頻能在NASA官網播出。

實驗內容：

除了常規相機載荷將提供準實時的地球上月亮的陰影和黑化的太陽的圖片，團隊還將視情況決定是否飛行第二組載荷。

NASA網站上屆時也可以看到每個團隊第二組載荷的信息和圖像。第二組載荷飛行將與NOAA（國家海洋和大氣管理局）和NSF（美國國家科學基金會）合作，屆時會發放100個探空球來收集對我們環境有影響的日食的重要科學數據。

經費：

由NASA科學任務委員會為主載荷提供資金，大約每個氣球系統（NASA基金號NNX16AB84G）3700美元，個別的團隊花費，比如差旅費，學生人員費和氦氣費用則由當地的NASA空間基金委員會支持。

本次項目的主角高空氣球究竟是何方神圣呢？

本項目中使用的高空氣球英文簡稱為HAB，與我們在高空科學探索中使用的大型超薄聚乙烯材料氣球不同（為了區別二者的不同，后者我們通常叫做高空科學氣球）。

HAB使用的是乳膠氣球，這在氣象探空氣球中很常用，它可以攜帶各類小型載荷達到臨近空間。這種氣球內部充填氦氣或者氫氣，隨著高度的上升，氣球會隨之膨脹，直至升限，氣球爆裂。

HAB的任務目標通常與載荷有關，每個載荷對應特定的目標。

HAB氣球系統中必須包含一個降落傘，雷達角反射器（增加HAB系統的雷達反射面，便于地面空管雷達的追蹤監控），和通信追蹤器。

高空科學氣球系統（超薄聚乙烯材料氣球）

HAB系統（從上而下分別是：乳膠球，任務載荷，降落傘，角反射器）

HAB是如此的迷人，因為它可以讓你快速低成本地探訪太空！也因此，有些人叫它“窮人的太空項目”。

每天，人們都在全世界各地發放HAB。

高空氣球飛行高度參照圖

在美國，國家氣象服務中心每天會在遍布全美的氣象站和機場發放2次HAB氣球來測量大氣特性，以幫助他們進行氣象預報，如果有極端天氣，他們將在特殊地點發放第3次HAB氣球來增加預報模型的精度。

業余HAB愛好者的記錄:（這里所指的都是乳膠球，最終都會膨脹爆裂）

可以看出，成本低廉的高空氣球還是可以做很多事情的。

最后，放送一組日食的精美圖片，預祝NASA的日食氣球項目圓滿成功！

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發表于 2017-08-22 00:00
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