精选
2年前，科学大院曾发起过一个投票，让大家选出下面哪些选项是天文望远镜。现在我们回顾一下最终的投票结果。（点击回顾原文）
“哪些是天文望远镜”投票结果
正确答案可能出乎你的意料——它们都是天文望远镜！
ACD选项的得票率比较平均，都在25%左右。C是大名鼎鼎的哈勃望远镜，得票最高；D是詹姆斯·韦伯望远镜，目前性能最强、造价最高的天文望远镜；A是我国科学家自主创新设计的郭守敬望远镜（简称LAMOST），相信对天文爱好者来说并不陌生。
选项E得票最少，图中的飞机除了侧面有个方形的开口，似乎跟普通的民航客机没什么区别。但其实它是NASA著名的平流层红外天文台（简称SOFIA），通过改造后的波音747客机搭载一台反射望远镜在12km高度进行天文观测，因为日常维护的成本问题现已退役。
选项B的难度最高，得票也是倒数第二。图片上方是一个气球，天文望远镜实际上就装在底下的吊舱里。这是世界上第一台球载天文望远镜——Stratoscope I。
顾名思义，球载望远镜就是通过高空气球作为载体升空飞行的望远镜。用气球把望远镜送上天，听起来是天马行空，却是天文学家接收宇宙信息的主要手段之一，更在我国空间科学的发展历程中起到了举足轻重的作用。
用气球送望远镜“上天”
望远镜能够接收宇宙天体发射的各个频率波段的电磁波，是空间科学和天文研究的重要观测工具。然而，不是所有的电磁波都可以穿透地球的大气层到达地面，从而被地基天文台观测到。环绕地球的大气层和电离层的存在会阻隔掉大部分的电磁波，仅有部分射电微波频段和可见光频段可以穿透大气层。我国的“天眼”FAST就是一个典型的射电望远镜，郭守敬望远镜则是一个接收可见光波段的望远镜。
大气层对不同频段的电磁波的吸收效应（图片来源：https://chandra.harvard.edu/xray_astro/absorption.html）
因此，最理想的天文观测平台是运行在太空中的天基天文台。但天基天文台的问题是造价昂贵、研制周期长，例如著名“鸽王”詹姆斯·韦伯望远镜耗资高达约100亿美元，立项后耗时25年才发射升空。不是所有的科学家都能够忍受如此漫长的等待，他们有很多创新的科学思想亟需观测验证。这时候，球载望远镜就成为了一个可选项。使用高空气球将望远镜带到临近空间（距地面20-100km），能够有效减少大气层对于接受电磁波信号的影响，获得更加丰富的宇宙信息。
1975年，国际空间研究委员会COSPAR将高空气球与火箭、卫星、宇宙飞船等一起列为空间探测研究工具。高空气球在一定程度上突破了地球大气的屏障，打开了绝大部分的观测窗口，很适合硬X射线、γ射线、红外及远红外光学天文和各种荷电粒子等天文观测。
球载望远镜的转动难题
球载望远镜和地面望远镜不同，它必须解决姿态变动问题，即因气球转动以及“气球-吊索”装置的摆动所引起的姿态变化。
高空气球的主要运动有摆动和转动，摆动大小大约几角分，在正常飞行中对望远镜指向影响并不大，而气球的转动是360度的，并且可有正逆转动。因此，补偿气球转动是姿态控制主要目的。
气球转动会带动吊舱在水平面内转动
（图片来源：自制）
气球一旦转动，就会捻动科学吊舱转动，需要一个反捻电机的反向转动来补偿。姿态传感器测定气球吊舱的绝对方位后，反捻电机的转动可以通过偏离信号进行控制。这种转动可能并不平稳，为此需要在吊舱内安装一个反作用飞轮，通过调节飞轮的转动，控制吊舱的转动姿态。当飞轮的转速发生变化时，就会产生一个转动力矩，根据角动量守恒原理，这个转动力矩会使吊舱方位成比例的反向旋转，从而达到控制吊舱方位的作用。反捻法可以将吊舱的方位控制在约几角分以内，更精确的姿控则需要望远镜光电导星跟踪。
用于气球吊舱方位控制的反作用飞轮
（图片来源：自制）
使用反作用飞轮控制姿态的方法在卫星平台姿控中比较常见。通过反作用飞轮控制方位，俯仰电机控制望远镜的仰角，就可以让球载望远镜在气球飞行过程中指向特定的天体目标。
哈勃望远镜上的反作用飞轮（带有数字标记）
（图片来源：https://headedforspace.com/reaction-control-system/）
上图是哈勃太空望远镜中使用的四个反作用轮的图像，它们可以每分钟1000至4000转的速度旋转，通过控制速度的变化从而产生转动力矩，使航天器能够改变其方向。
通过方位和俯仰两轴控制望远镜指向
（图片来源：中国科学院高能物理研究所气球组）
我国第一台球载天文望远镜
我国的球载望远镜和高空气球的研究是同步发展起来的。1977年，国家开始着手制订科学技术发展规划。顾逸东院士主笔编写了“关于发展我国高空科学气球的建议”，与李惕碚院士等人代表中国科学院高能物理研究所在全国自然科学学科规划会议上提出建议。1978年，第一次高空气球工作会议召开，时任高能所副所长的著名核物理学家何泽慧先生等在会上大声疾呼抓紧推动科学气球发展，而后国家批准开展高空科学气球第一期工程。
1977年发展高空气球的倡议者贾恩凯、陆柱国、李惕碚、顾逸东（左图），何泽慧先生在我国第一次高空气球工作会议上发言（右图）
（图片来源：参考文献[1]）
参加这个工程项目的有中国科学院高能物理所、大气物理所、空间中心、上海天文台和广州电子所等5个单位。其中高能所负责气球研制、发放以及高能X射线的球载观测，上海天文台主要负责球载姿态控制的研制和球载红外观测。高空气球一期工程的启动也标志着我国球载望远镜事业的起步。
1978年，上海天文台开始远红外天文观测工作，计划“以太阳远红外辐射为观测对象、逐步发展球载红外观测技术”，研制了球载红外I型望远镜。该设备是一个专用于太阳观测的牛顿式球载望远镜，口径为15厘米，采用地平坐标的驱动方式。
1982年，红外I型望远镜观测设备在河北省香河地区由3万立方米气球携带升空，在33km高度进行了我国的首次高空远红外观测。球载望远镜测得了太阳在4.6μm和18μm波长的红外辐射，初步算得在观测波段的太阳亮度温度值为4685±136K。
划重点：这是我国第一次球载望远镜天文观测。
球载红外太阳望远镜
（图片来源：中国科学院高能物理研究所气球组）
为了观测银道面和银心区的近红外及远红外辐射，上海天文台进一步设计了一台双筒红外球载快扫描望远镜。这是一个口径均为10cm的双筒望远镜，一筒镜用近红外的硅光电二极管作探测器，另一筒镜用作远红外观测。
双筒红外球载快扫描望远镜
（图片来源：中国科学院高能物理研究所气球组）
1987年8月3日，红外球载快扫描望远镜首次在中日合作高空气球越洋航线上实现飞行。8月16日，红外球载快扫描望远镜由高空气球搭载进行了第二次飞行，观测了13颗晚型星及三颗大行星（木星、火星和土星）。
为了进一步推动我国红外天文观测，1986年中国科学院紫金山天文台和天文仪器厂合作，并与西北工业大学、高能所、大气所等单位协作，开发研制了30cm球载红外望远镜，适用于远红外点源观测。1986-1988年，望远镜观测到塞弗特星系的红外辐射等天文现象。
30cm球载红外望远镜
（图片来源：中国科学院高能物理研究所气球组）
高空气球与硬X射线望远镜
出于科学和技术两方面的考虑，中国科学院高能物理研究所早期选择在硬X射线波段进行球载天文观测。硬X射线即波长小于0.012nm的电磁波，光子能量介于10keV到1000 keV之间，携带了高能天体及天体激变过程的重要信息。
硬X射线是球载高能天文望远镜最合适的研究能区。与伽马射线相比，硬X射线辐射的流强高得多，因此在较短的观测时间里就可以获得高统计性的数据；波长更长的软X射线穿透能力差，因为高层大气的吸收，无法在30-40km的高度通过气球进行探测。因此，高能所研制了HAPI（High energy Astrophysics instrument，高能天体物理仪器）系列探测器，开展了多次硬X射线天文观测。
1984年5月23日，第一台球载硬X射线望远镜HAPI-1探测器在33公里高空对蟹状星云及其脉冲星PSR-0531+21跟踪观测2小时，成功得到了蟹状星云脉冲星33毫秒周期信号的硬X射线辐射周期和清晰的脉冲相位分布。这是我国第一次对宇宙活动天体发射的硬X射线的成功观测。
1985年9月，HAPI-2望远镜借助体积为10万立方米的气球升空，对天鹅座X-1和天鹅座X-3进行了成功的观测，获得了黑洞候选体天鹅座X-1的高能X射线时间结构和能量谱。
20世纪90年代，高能所的李惕碚院士和吴枚研究员提出了直接解调成像方法，即应用非线性的数学手段，直接将原始的测量方程实现反演成像。该方法可以使用便宜的仪器，得出更高分辨率的图像。
1993年，通过高空气球搭载这种“物美价廉”成像技术的非位置灵敏硬X射线探测器（HAPI-4），对黑洞候选体天鹅座X-1进行扫描观测，获得了比美国同行好得多的结果。
球载X射线望远镜HAPI-4
（图片来源：中国科学院高能物理研究所气球组）
HAPI-4 扫描观测天鹅座天区获得天鹅座X-1 的硬X射线图像
（图片来源：中国科学院高能物理研究所气球组）
在此后的十年时间里，中国科学院高能所先后进行了4次球载硬X调制望远镜HAPI-4的飞行试验，确认了这条技术路线的可行性。HAPI-4成果验证了直接解调成像方法的有效性，成功促进我国的第一个空间天文卫星——“慧眼”（Hard X-ray Modulation Telescope，简称HXMT）卫星立项。
2017年6月15日，“慧眼”号发射升空，在引力波事件监测、黑洞和中子星系统研究、宇宙最强磁场测量等方面取得了重要突破，显著提升了中国在空间高能天体物理领域的科研能力和国际影响力。“慧眼”号早期的技术验证工作正是在高空科学气球上完成的，“慧眼”号的成功是球载望远镜推动空间项目发展的典范。
“慧眼”号卫星渲染图
新世纪的高空气球
我国的天基空间科学探测始于2003年和2004年的地球空间双星计划，在此之前，球载望远镜是唯一的高空天文观测的手段，使用高空科学气球开展天文观测的活动比较活跃。2000年之后，部分高空天文观测需求转向了天基平台，我国高空科学气球的活动频次有所下降。
2015年，我国发射了第一颗天文卫星“悟空”号之后，天基天文台成为我国主要的空间天文观测平台，但球载望远镜并没有因此沉寂，大型的空间天文计划依然需要进行前期的高空验证工作，这也是NASA每年持续开展十多次高空球载天文观测飞行试验的原因。
2018年，中国科学院空天信息创新研究院牵头的鸿鹄专项正式启动。“鸿鹄专项”聚焦临近空间实验平台能力提升，旨在加强临近空间环境和生态系统认知，目标建成我国首个临近空间科学实验系统，引领临近空间科学研究，提升临近空间开发利用水平，是我国首个聚焦临近空间领域的大型科学计划。
鸿鹄专项
在鸿鹄先导专项的支持下，中国科学院云南天文台林隽团队以日冕观测课题“日冕仪临近空间搭载实验”需求为牵引，研发了50mm口径的折射式日冕仪，具备对白光日冕进行偏振观测的能力。2022年10月4日，该临近空间天文台发放成功，飞行高度30km。
划重点：这是国际太阳物理界首次在这样的海拔高度上对内日冕进行白光观测。
搭载日冕仪临近空间整体结构和实物图
（图片来源：中国科学院云南天文台）
国内首次在临近空间高度获得白光日冕图像
（图片来源：中国科学院云南天文台）
2023年，中国科学院空天信息创新研究院设计并研制了一款基于100万m3重载高空科学气球的临近空间天文台，可以将3.6吨的载荷送入37km的高空。重载气球的成功研制是一项重要的科研突破，使得我国成为全世界第二个具备百万量级高空气球研制能力的国家，也意味着以此为基础的临近空间天文台可以搭载更多更重的观测仪器设备，一次观测可获取更多的研究成果。
基于100万m3重载气球的临近空间天文台概念图
（图片来源：参考文献[4]）
结语
空间科学是以观测和实验为基础的科学，需要通过地面实验和各种途径加强实验研究，提高能力水平。美国 NASA、法国国家空间研究中心和日本、加拿大、印度、瑞典等国航天机构均配备了科学气球系统。NASA 常年发射大型科学气球，累计已达 2000 余次，21 世纪初开始的南极长时间气球探测计划实施了 20 多项颇具创意的大型探测任务，其中两项已升级进入国际空间站。
我国于上世纪80年代建成了高空科学气球系统，早期曾开展过较多的基于高空科学气球载望远镜的天文观测活动。进入新世纪以来，随着卫星平台的技术发展，商业卫星平台成本的降低，天文卫星成为空间天文观测的主要平台，但球载望远镜依然担任着为重要天基天文任务做前期技术验证的重要角色。近些年在中国科学院鸿鹄专项的牵引下，我国的临近空间球载望远镜技术也有了进一步发展。高空科学气球依然是夯实空间科学研究和技术基础的重要途径，将持续在激励新颖科学思想，培育年轻空间科学人才，扩展人才队伍方面发挥重要作用。
参考文献：
[1]顾逸东.从高空气球到载人航天[J].现代物理知识,2023,35(S1):192-199.
[2]顾逸东.关于空间科学发展的一些思考[J].中国科学院院刊,2022,37(08):1031-1049.
[3]顾逸东,吴季,陈虎,等.中国空间探测领域40年发展[J].空间科学学报,2021,41(01):10-21.
[4]李一健,黄宛宁,周江华,张晓军,张航悦.临近空间天文台发展现状与展望[J].空间科学学报.
作者：李一健 黄宛宁
作者单位：中国科学院空天信息创新研究院
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