【果壳实验室解密】小房子是怎样飞上“太空”的

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最近,一段“飞屋上太空”的视频在网上流传,不少网友赞叹在三万米高空中俯瞰地球的神奇镜像,也有网友吐槽“太假”,“小房子前竟然有倒影”云云。作为这次“升空计划”的参与者之一,果壳实验室现在终于可以站出来“解密”啦。

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那些上“太空”的奇葩

其实,最近几年上“太空”的奇葩可不少,从水果手机到乐高积木、Hello Kitty、甚至汉堡、椅子,这类视频在国外视频网站上有很多,有些也有过程解密,大多描述为几位少年在父母的帮助下,用气球将xxxx送上了“太空”,看上去很容易。类似的探空气球高空拍摄试验,近几年国内也有人尝试,但是却从未见过完整的视频。我们在试验开始之前,搜集了大量国内外探空气球项目的资料,包括国内的清华附中2012到2013年进行的OAA计划,民间的业余无线电高手BG1CNX在2011年进行的“黑袋一号”实验等等。当然,国外可以参考的资料显然更丰富,后面会有介绍。

玩气球的科学

你可能会说,这有什么难的?不就是放飞一个氢气球,挂上一个摄像机在高空拍摄嘛?实际上并非像你想得这么简单。为了将探空气球携带的设备舱收回(高清摄像机的视频需要收回才能取出),整个过程和发射一颗返回式卫星差不多。我们来看看“玩”这个气球,需要涉及哪些科学。

气球,我们实验使用的是气象探空气球,这是一种使用天然乳胶为主要原料,再配合适量配合剂加工而成。和普通的橡胶气球相比,除了体积大以外,最大的特点是膨胀率更高。例如我们使用气球,地面释放时的水平直径大约1.5米,垂直高度约2米,在高空中的爆破直径达到8-9米。越高的高空,大气压力越小,气球就会越膨胀,如果气球膨胀率低,爆炸的高度就会偏低,达不到“太空”的效果。


现场放飞气球瞬间

气球内的气体,我们使用的是高纯度工业氦气。氦气是一种惰性气体,虽然它不是最轻的气体(密度0.1786g/L,0°C、1atm),与空气的比重是 0.14,1立方米净升力约1.115千克,氦气比氢气安全多了,一个工业氦气钢瓶的释放体积约6立方米,气球充气4立方多,剩下的氦气还可以玩玩“变声”的把戏。不过氦气的缺点就是一个字:贵!


工业高纯氦气

载荷舱内的摄像机,我们使用了多个镜头,其中面对小房子的主摄像机使用的是大名鼎鼎的Gopro Hero 3+运动摄像机。这款相机的性能就不必多说了,玩极限运动的人都知道。2012年奥地利人菲利克斯·鲍姆·加特纳从39公里高空跳下,头顶就携带着一台Gopro摄像机。Gopro摄像机有密封性能很好的防水壳套件,另外,我们在防水壳中还使用了吸潮片,防止在上升穿越对流层过程中镜头前结雾。


Gopro 3+运动摄像机

跟踪定位设备是保证放飞气球能够回收的关键。我们尝试了多种方案对气球路径进行跟踪。首先是无线电定位。我们使用了一种叫做APRS的无线电定位系统。APRS(Automatic Position Reporting System)是一种自动位置报告系统,通过GPS或其他方式获得当前坐标,然后调制成音频编码,使用144.64MHz的业余无线电频率进行广播发射。接收设备再通过解调,将音频编码中的坐标信息还原,就可以得到跟踪设备的位置和轨迹。在前期的试验中,我们还使用航模玩家常用的OSD(On Screen Display)设备和图像传输设备,OSD设备会在摄像机图像中叠加各种姿态、位置信息,然后通过图像传输设备发回地面,我们在观看实时视频的通知,也可以得知它的位置。除此以外,我们借鉴了国内外气球项目的经验,使用了“GPS跟踪器”这种成熟的产品。GPS跟踪器的原理是利用GSM手机通信网络,将跟踪器中的GPS坐标通过短信的形式发回到指定手机。这种设备已经商品化了,比较可靠,但是要祈祷中国移动、中国联通、中国电信的网络覆盖啦!


在地面测试APRS无线电跟踪设


我们使用的一款GPS跟踪器

气球飞行轨迹预测也是这次试验重要的部分。我们之前做了充分的功课,参考了大量的论文,从中国上空气象学、大气环流、到空气动力学、高空气球热力学分析等,看得一头雾水,最后发现国外有几所大学已经建立的完善的气象气球轨迹预测模型,比如剑桥大学的这个探空气球降落预测系统:http://predict.habhub.org/,它会根据当时世界各地的气象资料,估算出气球飞行的轨迹,包括爆炸时间,降落地点等,而我们需要做的只是输入气球参数、载荷重量和降落伞下降速率等参数。最方便的是,它可以生成.kml文件,在Google Earth软件中打开,这对我们实际寻找气球非常有帮助。感谢剑桥大学!!


使用剑桥大学探空气球降落预测系统预测的气球轨迹

没有失败就不算成功试验

放一个气球,带一个摄像机,等气球爆炸,降落伞带着设备舱落地,然后找到……整个过程就这么简单。就像前面说的,这个看似简单的过程,和发射一颗返回式卫星差不多,其中涉及放飞地点的选择、放飞日期气象条件的预判、轨迹预测、气球跟踪、地面回收路线甚至车辆越野穿越路线的规划,再加上放飞时多角度拍摄、载荷舱多镜头的摆放等等许许多多环节。


这张照片就能够解释为何房子前有个“倒影”,房子靠一个亚克力板支撑在镜头前

实际上,在正在放飞之前,我们的团队做了大量的试验,还包括一次完全失败的放飞过程。失败的重要原因就是多个系统虽然分别作了很多实验,但是由于整个团队分散在北京各处,业余时间很少有机会一起测试整个系统,放飞时准备不足,多种跟踪设备恰好同时“中奖”失灵。我们的越野车在沙地中的行驶速度远远跟不上气球飘飞的速度,最后只跟踪到了13公里就完全丢失信号了……在第二次试验中,我们尽量精简了跟踪设备,而有些可靠性高的设备,比如GPS跟踪器,做了双系统备份,保证更高的可靠性。第二次地面放飞流程和寻找的路线也事先做了优化,气球一升空,我们立刻派一辆越野车按照事先规划的路线以最快的速度前往预计降落地点。


在冰箱里进行低温测试

当然,最后我们的成功也有很大的运气因素。其实,在第二放飞中,APRS无线电设备又一次失效了,而GPS跟踪器在高空是无法发送信息的。在草原、戈壁地带,有没有手机信号完全看人品。我们的跟踪器还算争气,熬过了-40以下的低温,在降落前返回了4次坐标位置,然后才罢工。由于GPS跟踪器发回的坐标没有高度信息,因此不能确定是否落地,至于为什么罢工,更不得而知了。当我们狂奔130多千米,到达最后坐标位置时,看着茫茫草原,起伏的沙丘而不见红色的降落伞踪迹,几乎又一次崩溃。正在这时,跟踪器又发回了2个信息过来,我们惊喜的发现和我们的所在位置只相差400米。当我们徒步翻过一座沙坡,看见一位牧民大叔正向我们招手……原来设备舱最后落在一个沙窝子里,刚好没有信号,而牧民大叔捡起来后,信号又恢复了!我们简直太幸运了!


在草原徒步6公里,到达最后的坐标点


从牧民大叔手中接过载荷舱,激动激动激动!

“升空计划”的成果和未来

转眼间,这次升空计划已经过去了一个半月(4月26日),每每看到网络视频和电视报道“IT民工”放飞小房子到“太空”之类的报道,果壳实验室和每一个参与者都自豪感满满。这虽然不是一次非常严谨的科学实验,但是还是取得了一些成果和经验,比如“降落伞下落速度实验”的结果已经用在了一些疯狂的测试当中:一位死理性派对Amazon Kindle Fire HDX 8.9的无厘头测试

未来,果壳实验室也许还会做类似的试验,但一定会更高大上,更具有挑战性。比如我们开始曾计划使用滑翔机制作一个可自动返航的设备舱,这样就可以指定回收地点啦,这对于探空气球的放飞来说,更具有实用价值。当然,我们也会继续做一些更加疯狂的“升空计划”,比如帮助老板@姬十三 实现上“太空”的梦想。


升到最高处的气球,爆炸前夕,图片右下角能够看到草原明珠达里诺尔湖


气球爆炸瞬间


最后,郑重提示:根据《中华人民共和国飞行基本规则》第二十七条:升放无人驾驶航空自由气球或者可能影响飞行安全的系留气球,须经有关飞行管制部门批准。具体管理办法由国务院、中央军事委员会空中交通管制委员会会同国务院民用航空主管部门、中国人民解放军空军拟定,报国务院、中央军事委员会批准实施。

具体的气球放飞规定,可以参看《通用航空飞行管制条例》第五章:升放和系留气球的规定

最后,奉送大家这个高大上的纪录片吧:网易新闻客户端与果壳实验室联合呈献

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**视频、图片中的GPS信息已经做过处理,并非实际放飞位置,见谅

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