Ali Pourahmad 的发明 | 类别：世界新发明 | 相关：科学发现与技术发明
具有抗太阳热能力的高空气球（NASA 的平流器零压气球）的新型设计
◉ 发明：零压气球抵御阳光热量
◉ 发明人和专利所有人：Ali Pourahmad
◉ 类别：发明家的新发明
◉ 简介和目标:
本文简单介绍一下用于将卫星和航天设备送入地球平流层的新型"零压气球"中的防减速系统的发明。
对于像NASA这样的大型航天机构来说，将研究和电信设备送入地球大气层是最昂贵且耗时的挑战之一。几十年来，由于每次卫星发射成本高昂，NASA一直使用高压（零压）气球而非火箭在平流层进行研究和气象观测。平流层高空气球是一种高压飞行器，可以穿过对流层到达平流层，并在平流层中部执行任务，即所谓的低地球轨道（LEO）。
对流层的定义是从地球表面到12公里高空的区域，平流层的定义是从12公里到50公里的区域，但NASA的高空气球在到达低地球轨道（LEO）的更高高度时受到限制。据加布里埃尔·加德（NASA弗吉尼亚州瓦洛普斯飞行设施气球项目办公室主任）介绍，NASA的高压研究气球于2025年4月21日从新西兰发射，在南半球中纬度地区飞行了17天13小时47分钟后，于5月4日被迫提前结束任务。NASA将气球安全降落在新西兰以东约813英里的太平洋上。让我们来看看零压气球的任务出了什么问题！
◉ 发明：零压气球抵御阳光热量
◉ 发明人和专利所有人：Ali Pourahmad
◉ 类别：发明家的新发明
事实上，白天太阳照射使气球外壳温度升高，导致氦气膨胀泄漏，而夜间氦气冷却收缩，体积减少，这些变化是气球高度不断下降的主要原因。据加布里埃尔·加尔介绍，到任务的第十天，几乎所有的压舱物（沙子）都已用来维持气球的高度，但尽管释放了所有压舱物以减轻气球重量，高度仍在迅速下降。NASA 最初计划的任务持续数月，可能有 100 天的飞行，但这种高度下降带来了无法预见的挑战和问题。因此，为避免紧急降落给公众带来的风险，NASA 在第十七天宣布提前结束任务。
尽管NASA的高空气球在2025年初的飞行中创下了更高的纪录，例如46天或32天，但所有NASA的高空气球任务都面临着一个共同的挑战，那就是由于白天氦气泄漏，夜间需要急剧下降（最高可达10公里）。几乎所有零压气球（平流层气球）只能在距离地球30至36公里的高度停留约一周而不下降，但此后，它们在夜间就会出现高度下降。
虽然此前 BS 13-08 零压气球曾在很短的时间内成功达到 54 公里的高度。但是，爬升至平流层的更高高度或在高层大气中停留更长时间是此类气球的严重限制和挑战之一，因为这些气球在几天后就会由于氦气的膨胀和收缩而开始急剧下降。当然，高度下降的速度也因气球飞行的纬度而异。例如，在中纬度以外和靠近极地的地区，特别是在夏季，太阳光线和辐射会使氦气长时间处于膨胀状态，零压气球的高度下降比中纬度地区的要低。
◉ 发明：零压气球抵御阳光热量
◉ 发明人和专利所有人：Ali Pourahmad
◉ 类别：发明家的新发明
在这种情况下，由于美国宇航局的平流层气球存在降低高度和无法在大气中长期停留的问题，政府组织和航天机构通常会转而采用替代方案，即发射卫星火箭。但由于每次低轨道（LEO）火箭发射的成本高昂，通过火箭发射不可能长期且低成本地继续开展科研项目。例如，如果我们想用探空火箭、新谢泼德号或电子号等亚轨道火箭发射可由零压气球运载的设备，每次发射就要花费100万至700万美元。现在，如果我们选择使用推力更大的火箭发射更重的设备，成本将会更高。例如，用猎鹰9号火箭和龙飞船向国际空间站运送6000公斤货物的成本估计约为1.4亿美元。
事实上，降低美国宇航局平流层气球的高度和无法在太空长期停留的挑战，加上航天机构每次发射亚轨道火箭的高昂成本，促使我产生了建造一个不受阳光热量影响的气球的想法，这样它就不会失去高度，但可以运送重型货物并长期在太空停留。换句话说，我的想法是使用助推火箭将太空货物运送到低地球轨道（LEO）的替代解决方案，成本和风险更低。通过这种方式，首先将总负载体积分成越来越小的部分，然后通过增加飞行频率，可以以低得多的成本运送整个设备。通过配备我的想法的气球，这是一种可以抵御热太阳射线的涂层。
◉ 发明：零压气球抵御阳光热量
◉ 发明人和专利所有人：Ali Pourahmad
◉ 类别：发明家的新发明
◉发明技术描述:
我把这个新气球命名为"抗高温高空气球"，是因为在我给这个"零压气球"加上的系统之后，太阳辐射穿透气球外壳的可能性已经达到零，因为太阳辐射不会被氦气分子吸收，所以不会发生化学反应来增加分子的振动并扩大氦气的体积，当然也不会对控制调节器施加压力而释放气体或造成不必要的泄漏。
为了更好地理解这种新型气球的工作原理，我想简要介绍一下氦气分子的行为特征。氦（He）是一种中性化学元素，无色无味，沸点最低，也是宇宙中仅次于氢的第二丰富元素。氦的丰富性和廉价性使其广泛应用于各行各业，例如核反应堆的冷却装置或核磁共振成像（MRI）设备等。氦气最常见的用途之一是航空航天工业，氦气用于给亚轨道和低地球轨道（LEO）研究气球的气囊充气，使其升至大气层的高空。
◉ 发明：零压气球抵御阳光热量
◉ 发明人和专利所有人：Ali Pourahmad
◉ 类别：发明家的新发明
氦气具有极高的导热性，即使在中等温度下也会开始膨胀，并且在较高温度下其化学反应速率会加快。氦气对温度变化的反应比其他气体更强烈，因为氦分子的动能会随着温度变化而发生显著变化，而分子物理和化学性质的这种变化会导致氦气密度的增加或减少（取决于环境温度）。
换句话说，当气球的压缩氦气包层到达对流层的末端和平流层的起点时，由于直接暴露在未经过滤的太阳辐射下，气球的温度会升高，其分子的平均动能也会增加。这会导致气体分子进一步扩散，气球包层内的气体分子体积也会增加，变得相对较大。随着继续暴露在太阳辐射下，气体分子之间碰撞的频率也会增加。这最终会导致压力升高，并通过控制调节器导致气体泄漏，成为不必要的高度降低的一个重要因素。在夜间，当气球包层没有暴露在阳光下并且没有接收热量时，分子开始收缩和凝结，这会导致当前零压气球的高度下降幅度更大、速度更快。
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我用来防止阳光热量渗透到氦分子的想法是在气球外壳的一半上添加轻质反射板。
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这种织物的纤维材料还具有防潮和耐大多数溶剂的特性，能够长期抵御紫外线或其他不同波长的太阳电磁辐射的破坏。热反射织物能够反射超过97%到达其表面的辐射热，是防止热量渗透的卓越隔热材料。这种织物由多种基础材料制成，包括芳纶、碳纤维、二氧化硅，并覆有铝层。此外，这种织物在航空航天工业中也用途广泛。
◉ 发明：零压气球抵御阳光热量
◉ 发明人和专利所有人：Ali Pourahmad
◉ 类别：发明家的新发明
为了防止气球增重，我只在气球半球的一侧使用了热反射板。我这样设计这个半球，使它与气囊外壳保持 50 厘米的距离，这样无论在正常条件下还是在强太阳磁辐射下，温度渗透率都为零。这些覆盖着热反射织物的面板以矩形窗板的形式相互连接，并沿着结构半径的外轴安装在一根圆形杆上。这根杆由一种非常轻而坚固的钛铝混合材料制成，它将气球气囊的外部分成两部分：亮区和影区。此外，所有用于送入太空的设备都安装在这根圆形杆上。换句话说，这根杆是连接气球所有部件的主要结构。
这种气球面临的下一个挑战是，在上升过程中，由于风、气压或温差等自然力的作用，气球会发生旋转，从而导致两个半球（带有热反射板的半球和不带热反射板的半球）发生位移
。正如您在文章末尾的视频中看到的，我使用了6个配备光检测摄像头的超轻型电动执行器控制器来解决这个问题。这些微型摄像头能够持续追踪阳光，并通过智能系统连接到电动执行器盒，以保持气球的平衡。
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◉ 类别：发明家的新发明
该系统的光跟踪是这样的：在直射阳光下出现任何偏差时，摄像机的电传感器都会发送脉冲以激活执行器箱内的电气系统，而电动执行器在收到该消息和偏差量后，会在光的相反方向施加机械冲击，使气球返回到其先前的位置。 这种机械冲击是利用正负电荷碰撞产生的压力产生的。当电流进入电动执行器盒内两块具有高电压差的金属板之间时，会发生小规模且可控的爆炸，导致执行器盒向与火花方向相反的方向移动。由于电动执行器盒与结构杆相连，气球也向与冲击产生的方向相反的
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◉ 类别：发明家的新发明
这种气球采用独特的"太阳隔热罩"设计，无论白天还是夜晚，高度都不会下降，除了能够到达平流层的更高高度外，还能在这一层中执行更长时间的任务。 此外，由于可以建造非常大尺寸的气球，它可以携带更多更重的太空货物，与昂贵的卫星火箭发射相比，这对于低轨道研究任务来说是一种合理且经济的替代方案。
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◉ 发明人和专利所有人：Ali Pourahmad
◉ 类别：发明家的新发明
我最初构思这个设计时，只使用了一个热反射气囊，没有光反应执行系统。但为了减轻重量，更好地控制气球的旋转，以及更好地将卫星设备连接到结构上，我在基本方案中增加了一个方向控制系统。这两种设计都是可行的，而且肯定可以成为目前零压气球的更好替代方案。
与其他发明一样，这项发明也具有进一步开发和优化的潜力，通过将其商业化，我们可以大幅降低航天发射的成本，增加航天任务的数量，并有助于进一步扩大与航天相关的科学研究。
文章结束//
◉ 具有抗太阳热能的高空气球（零压气球）视频 / 类别："阿里·普拉哈马德的发明"
◉ 本视频动画创作者：Ali Pourahmad
◉ 本视频的音乐作曲家：Ali Pourahmad
◉ 叙述者：阿里·普拉哈迈德
◉ 语言：英语
◉ 字幕：无
关于本文的发明者和作者:
◉ 阿里·普拉哈迈德的科学发明
◉ 阿里·普拉哈迈德的科幻电影
◉ 阿里·普拉哈迈德奖
◉ 阿里·普拉哈马德的画作
◉ Ali Pourahmad 器乐
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