釋放並回收飛上「太空」的攝像機

石斧創客，只做有趣的。

本文可以學到：

如何讓一個氣球飛上「太空」

飛上「太空」對於普通人來說是可望不可即的夢想，除非你是土豪。

不過，看到國外很多奇葩的物件都上過「太空」比如椅子、樂高玩具、漢堡包、Hello Kitty什麼的，它們其實都是用探空氣球把載荷或攝像機帶上幾十公里高的「太空」的。

我們也按耐不住了，於是在2014年的4月，我們的團隊利用各種開源技術，也成功釋放並回收了一個探空氣球。

Step 1： 準備氣球和氣體

你可能會說，這有什麼難的？

不就是放飛一個氫氣球，掛上一個攝像機在高空拍攝嘛？

實際上並非像你想得這麼簡單。

為了將探空氣球攜帶的設備艙收回（高清攝像機的視頻需要收回才能取出），整個過程和發射一顆返回式衛星差不多。

我們來看看「玩」這個氣球，需要涉及哪些科學。

首先是氣球使用的是氣象探空氣球，這是一種使用天然乳膠為主要原料,再配合適量配合劑加工而成。

和普通的橡膠氣球相比，除了體積大以外，最大的特點是膨脹率更高。

例如我們使用氣球，地面釋放時的水平直徑大約1.5米，垂直高度約2米，在高空中的爆破直徑達到8-9米。

越高的高空，大氣壓力越小，氣球就會越膨脹，如果氣球膨脹率低，爆炸的高度就會偏低，達不到「太空」的效果。

氣體選擇需要使用的是高純度工業氦氣。

氦氣是一種惰性氣體，它會不爆炸。

雖然它不是最輕的氣體（密度0.1786g/L，0°C、1atm），與空氣的比重是 0.14，1立方米凈升力約1.115千克，氦氣比氫氣安全多了。

一個工業氦氣鋼瓶的釋放體積約6立方米，氣球充氣4立方多，剩下的氦氣還可以玩玩「變聲」的把戲。

不過氦氣的缺點就是一個字：貴！

Step 2： 準備好「眼睛」—攝像機

載荷艙內的攝像機，我們使用了多個鏡頭，其中面對小房子的主攝像機使用的是大名鼎鼎的Gopro Hero 3+運動攝像機。

這款相機的性能就不必多說了，玩極限運動的人都知道。

2012年奧地利人菲利克斯·鮑姆·加特納從39公里高空跳下，頭頂就攜帶著一台Gopro攝像機。

Gopro攝像機有密封性能很好的防水殼套件，另外，我們在防水殼中還使用了吸潮片，防止在上升穿越對流層過程中鏡頭前結霧。

Step 3： 軌跡預測-感謝共享精神

我們之前做了充分的功課，參考了大量的論文，從中國上空氣象學、大氣環流、到空氣動力學、高空氣球熱力學分析等，看得是一頭霧水。

最後發現國外有幾所大學已經建立的完善的氣象氣球軌跡預測模型，比如劍橋大學太空飛行實驗室的這個探空氣球降落預測工具：

http://predict.habhub.org/

它會根據當時世界各地的氣象資料，估算出氣球飛行的軌跡，包括爆炸時間，降落地點等，而我們需要做的只是輸入氣球參數、載荷重量和降落傘下降速率等參數。

最方便的是，它可以生成.kml文件，在Google Earth軟體中打開，這對我們實際尋找氣球非常有幫助。

感謝開元精神！

劍橋大學太空飛行實驗室探空氣球預測工具：

http://predict.habhub.org/ （註：需要科學上網）

Step 4： 跟蹤/定位裝置

跟蹤定位設備是保證放飛氣球能夠回收的關鍵。

我們嘗試了多種方案對氣球路徑進行跟蹤。

首先是無線電定位。我們使用了一種叫做APRS的無線電定位系統。

APRS（Automatic Position Reporting System）是一種自動位置報告系統，通過GPS或其他方式獲得當前坐標，然後調製成音頻編碼，使用144.64MHz的業餘無線電頻率進行廣播發射。

接收設備再通過解調，將音頻編碼中的坐標信息還原，就可以得到跟蹤設備的位置和軌跡。

在前期的試驗中，我們還使用航模玩家常用的OSD（On Screen Display）設備和圖像傳輸設備，OSD設備會在攝像機圖像中疊加各種姿態、位置信息，然後通過圖像傳輸設備發回地面，我們在觀看實時視頻的通知，也可以得知它的位置。

除此以外，我們借鑒了國內外氣球項目的經驗，使用了「GPS跟蹤器」這種成熟的產品。GPS跟蹤器的原理是利用GSM手機通信網路，將跟蹤器中的GPS坐標通過簡訊的形式發回到指定手機。

這種設備已經商品化了，比較可靠，但是要祈禱中國移動、中國聯通、中國電信的網路覆蓋啦！

Step 5： 準備一個降落傘

整個這個裝置的結構很簡單（其實越簡單越好，簡單才能可靠）。

在最上端是一個氣球，氣球的單根引線直接栓到一個降落傘的頂端，降落傘引線直接拴在載荷艙上。

至於降落傘的大小，並不是憑空得出的，可以根據以上公式計算得出，我們如果希望下降速度是每秒4米的話，需要面積是0.75平方米，直徑不到1米。

實際我們在降落傘上頂端還開了一個孔，讓下降率更高一些。

資料顯示，傘兵的降落傘下降最大速度是小於7米/秒，無人機傘降回收的速度也差不多是這樣的，因此只要下降速度小於7米/秒，就能夠保證設備的安全。

下降速度快，意味著飄落的會近一點兒！

Step 6： 必須要做的一些試驗

用氦氣球釋放並回收一個飛上「太空」的攝像機，整個過程和發射一顆返回式衛星差不多，需要多個系統的協調測試。

包括上面說的氣球、攝像機系統、載荷艙、跟蹤/定位系統和降落傘等等。

實際上，在成功之前，我們第一次放飛完全失敗了。

失敗的重要原因就是多個系統雖然分別作了很多實驗，但是由於整個團隊分散在北京各處，業餘時間很少有機會一起測試整個系統，放飛時準備不足，多種跟蹤設備恰好同時「中獎」失靈。

我們的越野車在沙地中的行駛速度遠遠跟不上氣球飄飛的速度，最後只跟蹤到了13公里就完全丟失信號了……在第二次試驗中，我們盡量精簡了跟蹤設備，而有些可靠性高的設備，比如GPS跟蹤器，做了雙系統備份，保證更高的可靠性。

第二次地面放飛流程和尋找的路線也事先做了優化，氣球一升空，我們立刻派一輛越野車按照事先規劃的路線以最快的速度前往預計降落地點。

我們曾經將所有設備放入載荷艙里，內部使用鋁箔膠帶屏蔽，密封好後放入冰箱-30度的冷凍室中冰凍，測試它的極限低溫情況。

在對流層上端，溫度最低甚至達到-60度，不過到平流層以後溫度就會上升了。

除了設備的低溫測試，最好測試一下降落傘的下降速度，因為計算結果和實際速度還是有差距的。

下降速度是預測氣球漂亮軌跡的重要參數，最好實際測試一下結果。

我們是使用一台多軸飛行器，把降落傘和載荷艙吊到高空釋放進行測試的。

Step 7： 後記

我們是在三年前（2014年4月26日）第一次成功釋放並回收了載荷艙的，後來，我們又成功進行了7次。

當然，每一次我們的成功回收都有很大的不確定因素。

比如在第一次在放飛後，APRS無線電設備不久就失效了，而GPS跟蹤器在高空是無法發送信息的。

在草原、戈壁地帶，手機信號很差。我們的跟蹤器還算爭氣，熬過了-40以下的低溫，在降落前返回了4次坐標位置，然後才罷工。

由於GPS跟蹤器發回的坐標沒有高度信息，因此不能確定是否落地，至於為什麼罷工，更不得而知了。

當我們狂奔130多千米，到達最後坐標位置時，看著茫茫草原，起伏的沙丘而不見紅色的降落傘蹤跡，幾乎崩潰。正在這時，跟蹤器又發回了2個信息過來，我們驚喜的發現和我們的所在位置只相差400米。

當我們徒步翻過一座沙坡，看見一位牧民大叔正向我們招手。

原來設備艙最後落在一個沙窩子里，剛好沒有信號，而牧民大叔撿起來後，信號又恢復了！我們簡直太幸運了！

Step 8： 未來的改進計劃

我們計劃在未來的放飛試驗中，使用更可靠的軌跡跟蹤設備，並且多系統備份。

載荷艙設計成可返回的流線型滑翔機外形，通過飛行控制系統和自動駕駛儀在指定位置降落等。

這樣就可以根據需求搭載各種載荷，並且方便的釋放和回收了！

Step 9： 幾個與安全有關的問題，選擇地點、避開航線

選擇一個安全的放飛地點很重要，要釋放一個飛上平流層的探空氣球，並讓它降落在一個安全、容易找到地方。

我們可以使用上面說到的劍橋大學太空飛行實驗室的氣球預測工具進行規劃。

不過在我國，這樣的地方並不好找，因為我們處在中緯度西風帶上，而東部沿海地區都是人口稠密的城鎮，氣球掉到那裡無論是否有沒有降落傘都很危險，還有可能被好奇的人揀走。

因此選擇人煙稀少、盡量偏西部的地區可以減少麻煩，比如西北隔壁、草原地區。

另外要注意避開附近的機場與航線。盡量遠離大型機場和有民用航線經過的地方。

最後，需要提示大家的是，根據《中華人民共和國飛行基本規則》第二十七條：升放無人駕駛航空自由氣球或者可能影響飛行安全的系留氣球，須經有關飛行管制部門批准。具體管理辦法由國務院、中央軍事委員會空中交通管制委員會會同國務院民用航空主管部門、中國人民解放軍空軍擬定，報國務院、中央軍事委員會批准實施。

具體的氣球放飛規定，可以參看《通用航空飛行管制條例》第五章：升放和系留氣球的規定。