这个岛曾经多次被美国核试验污染，有一次甚至是从高空

在苍茫的的大海上，一艘美军航空母舰正在孤独航行。航母的甲板上，战机不见踪影，一个直径数十米的透明气球升腾而起，下方还用绳索吊着多个金属罐。气球缓慢地飞入高空，最终消失在云层之上。3小时后，云层中突然爆发出一个亮眼的火球，转而消散为大团的烟雾……

以上的场景发生在1958年，空中的爆炸源于气球悬挂的一枚核弹。 这是人类有史以来第一次、也是唯一一次气球搭载的高空核试验。

气球从航母上升起

（图片来源：参考资料[1]）

20世纪50年代末，美国国防部和洛斯阿拉莫斯科学试验室实施了 “硬饼干I” （Hardtack I）行动，主要目标是研究W-25型防空核弹头在高空引爆产生的影响，以支持反弹道导弹系统的研发工作。

研究在高空爆炸的核弹头，一个方法是用火箭把核弹送上天。然而在那个年代，火箭技术还不够成熟， 比如当时常用的Loki探空火箭的飞行高度 只有55km，且载重能力较小，只有几公斤。 著名物理学家詹姆斯·范·艾伦由此提出了rocket（火箭）+balloon（气球）=rockoon的构想， 使用高空气球来提高探空火箭的飞行高度。

由高空气球和火箭组成的rockoon

（图片来源：参考资料[1]）

高空科学气球是一种在临近空间 （通常指距地面20-100km的空域） 进行科学观测和试验的平台， 其造价低廉、组织飞行便捷、试验周期短，可长时间稳定飞行。与卫星相比，高空气球的使用成本较低，同时能够提供接近太空的试验环境，长期受到科学工作者的青睐，极大地推动了大气物理、空间天文、宇宙射线等学科的观测研究进程。 （点此看高空气球把天文望远镜送上天）

典型的高空科学气球飞行系统发放状态和平飞状态

（图片来源：作者自制）

高空科学气球还具有吨级的载重飞行能力（目前最大载重记录为3.6吨），是一种进行“地面-临空”远程投送的理想平台。在历史长河中，高空科学气球投送过各种稀奇古怪的飞行器和装置，投送飞机和火箭都是常规操作，而在“硬饼干I”行动中投放核弹正是它的巅峰之作。

结合当时的技术条件， “硬饼干I”行动设计了三次高空核试验， 分别代号“丝兰”（Yucca），“柚木”（Teak）、“橙色”（Orange）。丝兰是第一次高空核试验，采用更为稳妥可靠的高空气球平台进行投送，“柚木”和“橙色”使用火箭直接发射核弹头。

为了安全可靠地完成球载核试验任务，负责高空气球系统研发的桑迪亚公司进行了大量的前期发放试验，希望通过这些试验更好地制定气球发放标准化操作流程，并且培训参加核试验的地勤人员。从1956年起，他们尝试了多次气球发放试验，但是由于地面风和浅层风的分布往往不尽如人意，发放效果并不理想。

高空气球的发放难题是随着气球尺寸的不断增大而产生的。 早在1950年以前，科学家们已经开始利用气球开展空间科学探测和试验，追求更高的飞行高度和更大的气球载重。工程师尝试了丝绸、橡胶、玻璃纸等材料，其中橡胶气球虽然创造了不少升空高度记录，但是它的面密度并不小，球体体积无法做得太大；玻璃纸面密度虽然小，但是低温下容易脆裂，不适合高空环境。受限于气球材料和载重能力的限制，高空气球一直没有取得重大突破。

1950年， 美国工程师奥多·温岑发明了使用加强带密封聚乙烯薄膜的工艺， 这样高空气球既可以使用轻质的聚乙烯薄膜材料减轻自身重量，又能利用加强带承受更大的载重。这是高空气球发展史上的一个重要里程碑，从此以后高空气球的最大体积就像开了挂一样迅速增长。

温岑设计气球的图纸

（图片来源：参考资料[3]）

工程师造出了巨大无比的气球，理论上它能够比以前飞得更高，运载的物体更重。但是工程师发现了一个新问题：气球太大了，在地面充气的时候，球体长度可以达到上百米，这样就存在 地面风和球体所处高度风向不一致 的情况，如果不调整发放方向，极易造成发放失败。

在澳大利亚发生的高空气球发射失败案例

（视频来源：ABC）

如何解决这一问题？科学家们开始探索 将发放场从陆地转移到海洋 ，甚至动用了航空母舰。

利用舰船发放高空气球的方法在当时并不罕见。舰船上空没有任何障碍物，气球升空后不用担心碰撞问题。更重要的是，舰船航行时具有机动性， 在顺风航行时可以制造小空速甚至零空速的绝佳环境。 经常放气球的朋友很容易想到，这对高空气球的充气发放简直是梦寐以求的状态。

然而，想要完成“丝兰”发放任务，普通的舰船还不够，必须出动航空母舰。“丝兰”任务的气球体积为22653.44立方米，球体加上下方缆绳到信标机的长度约70米，信标机下面跟核装置之间的连线还有150多米。常规的大型舰船达到100多米并不难，但是一般甲板上都有各种设备设施，无法给高空气球铺球提供足够的空间。 只有航母有超过百米的平直甲板，能够铺得下长度近百米量级的高空气球。

航母上发放高空科学气球

（图片来源：参考资料[4]）

当然，利用航空母舰来发放高空科学气球是非常理想的条件，但毕竟代价太大，总是协调航母来保证任务完成也不现实。因此，后来工程师发明了 动态发放车 ，可以在气球发放前及时调整方向，大型的气球就可以安全地在陆地上发放了。

中国科学院空天信息创新研究院研制的重载浮空器动态发放车

陆地发放气球的过程

（图片来源：中国科学院空天信息创新研究院）

为了配合完成“丝兰”任务，美国海军派出了埃塞克斯级航空母舰“拳师号”（USS Boxer CV-21）。航母全长270米，最大宽度44.8米，满载排水量36380吨。

“拳师号”航空母舰

（图片来源：wikipedia）

核试验的实施地点在马绍尔群岛北端的比基尼岛（Bikini Island）附近的海面上。从1946年起，比基尼岛和埃尼威托克环礁（Enewetak）成为了美国原子能委员会的太平洋试验基地，在这一地区进行了数次热核试验。后经证实， 这些试验给当地带来了严重的放射性污染。

“丝兰”核试验区域示意图

（图片来源：参考文献4）

为了对“丝兰”核试验进行全方位的监测和数据采集，美国陆军信号研发试验室在距离比基尼岛约160公里和740公里的沃托和库萨岛设置监测站点，对爆炸产生的电磁脉冲进行测量。美国空军出动了两架B-36轰炸机搭载相机、光谱设备和其他光学仪器进行光学测量，美国海军的P2V巡逻机配备了红外探测器和记录仪，用于获取红外区域的基本数据。

监测核试验数据的P2V巡逻机

（图片来源：参考资料[1]）

1957年9月，“拳师号”航母在圣地亚哥附近进行了5次成功的船基高空气球发放试验，证明了这种方案的可行性。在1958年3月至4月期间，航母在埃尼威托克附近水域又进行了11批次气球试验，总共发放了76个大型高空气球。空军和海军协同演训，为“丝兰”任务的实施做足了充分的准备。

高空气球试验系统自上而下为 串联式系统 ，最上方为尺寸巨大的水滴型球体，向下依次悬挂雷达角反射器、信标机和核装置.核装置的安装位置距离气球底部173米，下部还悬挂了5组测量传感器，向下延伸了910余米。

气球携带的核装置

（图片来源：参考资料[1]）

1958年4月28日上午，“拳师号”航母从比基尼岛出发前往任务海域。上午11时25分，高空气球搭载核装置从航母甲板上发放升空；12时50分，气球达到26060米高度后进入平飞状态；14时40分，核装置在埃尼威托克东北136公里处被无线电指令引爆。 本次高空核试验的爆炸当量为1700吨TNT当量，是一次中小规模的核试验。

“丝兰”核试验

（视频来源：参考资料[1]）

从进行核武器试验的第一天起，科学家已经知道核爆炸会产生 电磁脉冲 （EMP）的事实，但在一段时间内还没有意识到EMP的具体影响。根据解密的“硬饼干I”行动报告中公布的数据，“丝兰”任务揭示了 高空EMP的强度可能是低空EMP的1000倍以上 。当时这个数据严重超过预期，一度被认为是采集到了错误的数据，直到后面的一系列高空核试验中再次得到了验证，高空EMP的研究才得到了重视。

高空核爆产生的EMP有多个组成部分， 在最初的十分之一纳秒内，大约十分之一的武器当量表现为能量为一到三兆电子伏（MeV）的强大伽马射线。伽马射线穿透大气层并与空气分子碰撞，沉积能量产生大量正离子和反冲电子（也叫康普顿电子）。然后，这些兆电子伏能量的康普顿电子沿着地球磁场线加速并螺旋运动，由此产生的瞬态电场和电流会产生15Mhz至250Mhz射频范围的电磁辐射。

这种高空电磁脉冲发生在距离地球表面30-50公里， 被认为具备作为反卫星武器的潜力。 但后续试验引起了NASA对其载人太空探索计划的担忧，使用高空爆炸产生EMP来反卫星的方案最终被束之高阁。

高空核爆炸产生的EMP对地球电离层产生巨大影响

（图片来源：Geopolitical Futures）

“丝兰”任务成为了人类历史上第一次、也是唯一一次使用高空气球投送核弹的核试验。 如今大气层核试验早已被禁止，火箭技术的发展日趋成熟，无需高空气球来助力提升高度，rockoon也早已成为一个非常小众的词汇。近些年来，高空科学气球的投送试验多用于各种高空飞行器的技术验证以及减速器和降落伞的展开试验。

意大利测试和验证未来用于轨道空间任务的可重复使用运载器（RLV）

（图片来源：参考资料[10]）

中国科学院空天信息创新研究院浮空器系统研发中心是国内唯一全面掌握高空科学气球技术的科研机构， 具备全面成熟的高空气球设计、生产、发放和回收能力，已开展近300次高空科学气球飞行试验，最大飞行高度42km，设计最大载重能力3.6吨（100万m³，加工完成，未实飞），最长飞行时长超过56天。

近年来，在中国科学院战略性先导科技专项（A类）临近空间科学实验系统（简称 鸿鹄专项 ）支持下，研究团队突破重载浮空器研制与试验技术、重载吊舱结构与方位控制技术和大尺度飞行器投送技术，实现大重量载荷（1.2吨）与大尺度飞行器投送能力。5年来共开展了6类11次临近空间飞行器投送试验，相关成果获得中国航空学会科技进步二等奖。

未来，随着临近空间战略地位不断提升，各种临近空间飞行器研究与试验验证成为焦点，临近空间投送技术必将拥有广泛的应用前景。

作者：闫峰 黄宛宁

作者单位：中国科学院空天信息创新研究院