档案：NASA 派遣无人机帮助拯救臭氧层

为了纪念 150 周年，我们重新回顾了科普故事（成功和失败），这些故事有助于定义科学进步、理解和创新，并增加了一些现代背景。探索整个档案系列并查看我们所有的周年报道。

三十年前，半个世纪以来，地球平流层中聚集的有害氯氟烃云层，在南极洲上空形成了一个季节性的臭氧层空洞，其直径是冥王星的两倍。虽然南极洲的这一现象十分极端，但它凸显了地球大气层正在发生的灾难。平流层中保护动植物免受太阳紫外线照射的臭氧层减少，农作物将遭受损失，皮肤癌发病率将飙升。

1992 年 7 月，《大众科学》刊登了一篇专题文章，描述了全球科学家为了解臭氧破坏动态而做出的紧急努力，当时我们的前景十分严峻。《大众科学》高级编辑史蒂文·阿什利写道：“地球的臭氧层似乎正在瓦解，研究人员需要尽快找出原因。”据阿什利称，美国宇航局已经全力以赴，建造了一架机器人数据收集无人机，用于在地球的极地涡旋（南极洲上空的大气层上游）上飞行。这架名为 Perseus 的飞行器使用 GPS 和编程路线来探测臭氧。

1987 年，地球上所有国家（第一个也是唯一一个）都批准了一项旨在扭转破坏的条约。《蒙特利尔议定书》制定了指导方针，以迅速淘汰 100 种被称为臭氧消耗物质（ODS）的人造化学物质。自 1992 年《大众科学》的专题报道以来，ODS 排放量已减少了 98%。尽管南极臭氧空洞的大小和严重程度每年都在波动，受季节性温度和湿度等无数因素的影响，但改善趋势一直保持一致。专家预测到 2070 年将完全恢复。除了代表罕见的环境成功案例之外，臭氧层还有一个教训：当每个人都参与进来时，即使是在全球范围内，惊人的事情也是可能的。

不幸的是，在温室气体问题上，这种团结似乎难以实现。自 1992 年以来，世界各国领导人已三次尝试达成减少温室气体的条约，最近一次是《巴黎气候协定》。尽管美国重新加入后，《巴黎协定》已接近达成，但各方均未达成一致。

“臭氧无人机” (史蒂文·阿什利，1992 年 7 月)

地球臭氧层破裂已成为全球关注的问题。但科学家如何才能获得寻找解决方案所需的高空数据？这款无人动力滑翔机或许就是答案。

在南极洲广袤的冰原上空八万英尺处，一架孤独的飞机将以长而锥形的机翼在平流层巡航。这架名为 Perseus 的无人驾驶动力滑翔机预计将于 1994 年飞得比以往任何螺旋桨飞机都高，以查明地球平流层臭氧层出了什么问题。它将被编程来在南极洲寒冷稀薄的空气中寻找破坏臭氧层的化学物质，并带回多年来大气科学家一直未能找到的关键空气样本。

这架飞机的可变螺距螺旋桨长达 14.4 英尺，由于太长，在 Perseus 升空之前无法旋转，因此需要用绞盘缠绕的缆绳将机器人飞行器从南极洲麦克默多站的基地拉到空中。升空后，其发动机将启动，缆绳将断开。

随后，珀尔修斯号将以大约 40 节的速度盘旋上升，飞向臭氧层空洞的中心，在高空时速度可达 200 节。虽然当飞机靠近地面时，技术人员会通过视距无线电遥控装置远程驾驶飞机，但珀尔修斯号基本上将实现自动驾驶。机载飞行计算机将根据全球定位卫星发射的数据携带预先编程的导航指令。

最终，如果高空飞行的探测器进入一团细小的粉红色冰晶，安装在飞船机头的传感器就会做出反应，研究人员称其为极地平流层云，怀疑这是破坏臭氧层的温床。机载计算机将指挥飞船的空气采样装置启动。当传感器不再探测到冰时，珀尔修斯号将改变航向，继续以之字形飞行，以绘制有毒云的边界。

总飞行时间约为 6 小时，其中 1 小时用于空气采样。珀尔修斯号只能携带足够爬升的燃料，因此发动机停止后，它将静静地滑行，降落在冰架底部。

对于研究臭氧层损耗的科学家来说，这样的飞行来得太及时了。地球的臭氧层似乎正在失效，研究人员需要尽快找出原因。去年 10 月，美国宇航局的 Nimbus-7 卫星测量到南极洲上空的臭氧浓度为 13 年来最低。迄今为止，这个巨大的臭氧空洞仅限于南半球，但美国宇航局的飞机最近在北极高空发现了大量臭氧空洞前体化学物质，这引发了北半球出现臭氧空洞的担忧。也许更令人担忧的是，在北半球中纬度地区发现臭氧层变薄，包括加拿大和新英格兰、英国、法国和斯堪的纳维亚半岛的人口稠密地区。（科学家表示，去年的气候异常温暖，因此没有出现北半球臭氧空洞。）

自 1988 年以来，NASN 的 ER-2 侦察机（改装的 U-2 间谍机）的飞行员已经飞越遥远而荒凉的极地 13 英里，为科学家收集空气样本。这些任务绝非例行公事。如果其中一架单引擎飞机在这些艰苦的八小时、1,500 英里的夜晚遇到故障，单人飞行员几乎肯定会丧命。

然而，到目前为止，回报是值得冒这个险的，因为高空收集者已经为科学家提供了他们所需的证据，证明人造氯化合物氯氟烃 (CFC) 破坏了臭氧层，并呼吁禁用这些物质。然而，哈佛大学大气化学家吉姆·安德森说，由于缺乏来自臭氧层空洞中心的关键空气样本，研究人员进一步模拟和预测臭氧层变化的能力目前受到限制，而臭氧层空洞位于任何有人驾驶飞机无法到达的高度。安德森也是美国宇航局为期六个月的北极平流层实验 2 的任务科学家，他说，目前的大气模型（用于指导政府的环境政策决策）缺乏有关 15 英里或 82,000 英尺附近高度的化学和运动信息，而这一高度是臭氧形成和破坏的关键区域。安德森说：“卫星适合绘制简单测量的粗略地图，但要了解臭氧消耗机制，你需要同时利用卫星来了解气候学视图和通过飞行器直接测量来了解该机制。”

几十年来，人们一直使用巨大的氦气球将仪器运送到极高的高度，但这些笨重的飞行器容易受到天气变化的影响，导致发射延迟，有时还会导致有效载荷丢失。唯一能飞得足够高的飞机是洛克希德公司的 SR-71 黑鸟，但这架黑鸟的超音速速度将使采样变得不可能。因此，珀尔修斯似乎准备提供许多答案。

麻省理工学院培养的航空工程师约翰·兰福德 (John Langford) 是弗吉尼亚州马纳萨斯 Aurora Flight Sciences Corp. 的总裁，他正在努力打造 Perseus，使其具备极高的高度能力、无人驾驶操作以及以相对较低的成本携带科学仪器的能力。Aurora 的核心员工都是麻省理工学院代达罗斯项目的资深人士，该项目开发了轻型人力飞机，曾在希腊克里特岛和圣托里尼岛之间飞行了 69 英里 [“88 磅重的踏板飞机”，1987 年 2 月]。Perseus 的开发很大程度上归功于其看似简单的前身。

Daedalus 的高效机翼由麻省理工学院航空航天学副教授 Mark Drela 设计，尽管仅靠人力驱动，但这种复合材料飞行器仍能保持飞行。Langford 和 Drela 知道，其细长的机翼形状适合稀薄空气和与臭氧采样相关的极端海拔。“很明显，大部分机翼和结构技术都适用于高空飞行器，”Drela 回忆道。

几年前，美国国家航空航天局 (NASA)、美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 和美国国家科学基金会 (NSF) 的专家小组提出了对低成本、高空、无人驾驶平台的需求，用于进行现场大气研究。除了臭氧化学研究，专家小组还希望有这样一种飞行器，它能够帮助确定云在全球变暖中的作用、调查平流层/对流层混合现象，以便为能源部的新气候变化研究提供参考、找出严重风暴的原因，并评估未来超音速客机尾气排放的影响 [“下一个超音速飞行器”，1991 年 2 月]。

“关键是飞行器必须在 1993-94 年期间投入使用，”美国宇航局位于加利福尼亚州爱德华兹的艾姆斯-德莱顿飞行研究中心小型高空科学飞机项目的项目经理詹妮弗·贝尔-里德哈特回忆道。极光公司已经在研发这种飞行器方面取得了很大进展，并获得了美国宇航局一份价值 225 万美元、为期两年的合同，将为该公司提供两架 Perseus 飞机。

兰福德指出，为了降低成本，我们的策略是修改现成的组件和现有设计，而不是开发定制技术。

最终成果是一架重量轻（1,320 磅）的“无人驾驶版滑翔机”，兰福德说，它拥有 59 英尺的翼展和低阻力空气动力学设计。机翼、螺旋桨、尾翼和尾梁均由树脂浸渍的 Kevlar 芳纶布、Nomex 蜂窝芯和石墨布制成。

“Perseus 的复合材料结构就像是一架极限运动滑翔机的结构，”曾担任 Aurora 航空结构小组负责人的 Siegfried Zerweckh 说道。“这架飞机是无人驾驶的，其结构不必像商用飞机那样永远运行（即每次飞行后无需检查），这意味着我们可以将材料推向极限。

“我们使用夹层结构来增加几乎每个部件的刚度，包括机翼、尾翼表面和尾梁，”Zerweckh 继续说道。例如，三片式 30 英尺长的机翼在翼展方向上只有四根肋骨支撑，而结构夹层面板必须基本自支撑。例如，19.7 英尺长的机翼面板重 170 磅。因此，结构相对较轻。

机载飞行控制/导航计算机、电传操纵电子控制系统和不寻常的闭式循环推进系统构成了飞机的大部分结构。NASA 认为 Perseus 的推进系统对于项目的成功至关重要，因此单独拨款 50 万美元用于该项目。

为了符合 Aurora 对古典绰号的偏爱，Perseus 的推进系统被命名为 Arion。这是一个不寻常的闭式循环系统，包括一台液冷、65 马力的旋转 Norton、一个双速减速齿轮箱（带有用于离合和锁定螺旋桨的装置）、一根坚硬的碳纤维驱动轴、大型可变螺距螺旋桨、汽油和液氧储罐以及一个用于冷却废气的大型冷凝器。

其中大部分是 Aurora 前首席工程师马丁·韦德 (Martin Waide) 的工作，他曾担任英国莲花集团和多家美国军用遥控飞行器制造商的工程师。

Perseus 选择了闭式循环内燃机系统，因为它最便宜、开发速度最快，该系统源自鱼雷和潜艇的研发成果。发动机不再使用笨重、昂贵的涡轮增压器压缩外部空气来维持动力，而是将发动机废气与燃料和氧气一起送回进气口。高级推进工程师 Stephen Hendrickson 报告称，整个发动机组件已于 5 月进行了地面测试，并取得成功。

燃烧燃料-空气混合物产生的废气温度接近 2,000° 华氏度，通常会被排放到船外。但由于 Perseus 的废气将被回收利用，机翼上方的大型散热器必须带走其热量。Aurora 团队正在开发大型不锈钢和铝翅片管式热交换器，这种热交换器可在低气压下工作，因为低气压下热传递速度较慢。

去年 11 月，原型机 Perseus A 在加利福尼亚州莫哈维沙漠的 El Mirage 干涸湖床上首次飞行，但远未达到其极限高度目标，因为安全高度被限制在 3,000 英尺。但三次短暂的试飞提供了数据，为两年后的高空飞行任务铺平了道路，届时 Perseus A 将分批空运到麦克默多站。在那里，七名地勤人员将迅速组装并准备发射飞机。

哈佛大学的 Anderson 设计了 ​​Perseus 将携带的轻型鼻托式仪器包。他的 110 磅重的空气采样/分析系统采用光学紫外线吸收技术来测量臭氧浓度，并采用更复杂的光子散射装置来测量万亿分之一的臭氧破坏前体化合物的水平。三月份，NASA 的气球专家完成了一系列艰难的试飞，在此期间，微型传感器包及其电子设备在从格陵兰岛西海岸发射时经受住了 -80°C 的低温考验。

安德森和两位同事最近提出的一个被广泛接受的理论解释了为什么追踪这些前体化合物如此重要。

众所周知，不受阻碍的紫外线 (UV) 辐射会导致皮肤癌、白内障、免疫系统受损，以及自然生态系统和农业的破坏。

冬季，当太阳离开两极时，平流层空气会迅速变冷，空气中的硝酸三水合物 (NAT) 会结冰。这些微小的硝酸晶体会促使水冰颗粒形成，这些水冰颗粒会聚集成一缕缕粉红色的云朵（英仙座探测器将要观测的正是这种云朵）。

一旦冰硝酸颗粒形成，冰表面就会发生涉及盐酸和氯硝酸盐的快速反应，从而起到催化剂的作用（参见《氯的联系》）。前者被吸附在晶体的边缘，而冰粒与后者的碰撞会释放出分子氯（C12）。“没人想到冰表面会成为释放分子氯的催化剂，”安德森说。

极地气团冷却后会下沉。当周围的空气流入取代冷空气时，地球自转产生的科里奥利力会将涌入的空气引导成大陆大小的旋转喷流。这些极地涡旋就像半不透水的墙，将内部的空气隔离开来。尽管极地下沉，但自由氯分子仍然在高处。

随着春日阳光的回归，几乎所有氯分子都分裂成自由氯自由基——氯原子渴望重新结合。这些氯引发一系列催化反应，共同破坏臭氧层。

安德森指出：“游离一氧化氯会像吃豆人一样吞噬臭氧。我们观察到的浓度超过十亿分之一，我们估计每天会有 1% 的臭氧流失。”

到了本季晚些时候，行星级的气流会冲击极地涡旋，将其分解并补充极地臭氧。据认为，北极臭氧洞尚未形成，是因为附近山脉导致北部涡旋不稳定。

许多科学家都意识到，对平流层进行采样对于解决臭氧消耗问题至关重要。另有几架高空飞行的飞机正在计划中。已经开发但尚未使用的大型无人驾驶飞机是 Condor，它是由西雅图波音公司在国防部的一个秘密项目中开发的。Condor 重 20,000 磅，由 8 对液冷、175 马力的 Teledyne Continental 发动机提供动力，采用两级涡轮增压和中间冷却，驱动三叶、16 英尺长的螺旋桨。据报道，这架价值 2,000 万美元的飞机在 1989 年完成了八次试飞，但政府缺乏运营资金。在其中一次飞行中，波音公司的 Condor 创下了螺旋桨飞机飞行高度的世界纪录，达到 67,028 英尺。在另一次飞行中，这架机密无人机在空中停留了两天半，飞行距离估计为 20,000 英里。

其他飞机开发商则选择载人飞行路线。德国 Oberpfaffenhafen 的德国航空航天中心 (DLR) 的一个德国团队提议开发一款名为 Strato·2C 的双座飞机，该飞机能够达到 85,000 英尺的高度或飞行 10,000 英里。该复合飞机将由两台 402 马力的 Teledyne Continental 涡轮增压发动机提供动力。

Aurora 的工程师们正在计划推出 Perseus “吉普车”（NASA 称之为下一代大型飞行器）的几种衍生版本。Perseus B 配备了高效的涡轮增压发动机，可以在比 A 型略低的高度巡航数天，例如在飓风上方盘旋。Theseus 是一辆“面包车”大小的飞行器，翼展 188 英尺，配备双推进式螺旋桨发动机，可以在 100,000 英尺左右的高度飞行 440 磅的有效载荷约一个月。再远一点，太阳能驱动的 Odysseus “卡车”可以在平流层巡航长达一年，机上载有 110 磅的有效载荷。

通过延长飞行时间和飞行高度，这些螺旋桨驱动的平流层巡洋舰很可能成为“穷人的卫星”。

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