看谷歌怎样一步步玩票做气球

黄宛宁

谷歌的LOON项目志在建立一个覆盖全球的环状连接网络，为偏远地区提供互联网接入服务。2013年谷歌首次对外公布该项目，时至今日，已初具规模，与多个国家达成了合作意向。

LOON最早的测试始于2011年，使用了一个气象气球及现成的最基本的无线电发射装置。团队后来开始制作非常大的气球以期能够携带足够的设备，保证20千米高空与地面的通信连接，这是他们最初较大的“信天翁”版本的雏形；其后他们又制作了141英尺长的“鹰”版。为了保证头顶始终有气球提供联网，他们需要建立一个系统可以大规模制造这种气球，在这个思想的指导下，设计了最后的“夜莺”版本，这是一种前所未有的设计。

现在他们揭秘了相关的档案，从最原始的气球到最新的批量设计，看看他们在开发气球的过程中是如何面对这些挑战的。

代号“翼龙”，这些气球绝对是该项目中恐龙级的选手了，仅仅是从网上买来的气象乳胶球，带着设备一直往上飞，直到爆炸，然后借助一个小降落伞把设备带回地面。但是它们的滞空时间足以完成原理验证。

这些测试验证了气球驱动互联网的可行性，但是团队很清楚气象气球不是长久之策，因为它们并不是用来长期在平流层飞行的。于是，这些狂热的气球爱好者开始静下心来扪心自问：“如果我们想做驱动整个世界的气球互联网络，应该制作哪种气球呢？”

于是他们创造了“信天翁”：手工将12片聚氨酯薄膜缝制起来，制作每个气球花费团队超过12小时的时间，但最后确实物超所值，“信天翁”飞得更高更久，给团队大量的机会来测试早期的联网设备。

“白头翁”是他们早期的一次“太阳气球”的尝试。他们希望制造一种理论上可以自己待在空中的气球，白天内部的气体加热，密度降低，高度上升，晚上高度下降，每次太阳升起，浮力能够恢复到开始的水平，气球恢复到正常高度。从原理上讲，这个主意还不错，但是大批量地制造这种形状的气球显然是不现实的。

“白头翁”不但制造麻烦，发放时还需要特别的技巧。发放团队在加利福尼亚中央山谷中发放“白头翁”时，遇到大风吹着气球在山谷里翻滚。（这种形式的气球，我的同事给起了个形象的名字——“糖三角”）

一个漫长而又阳光明媚的午后，LOON团队突然觉得设计一个正圆球会不会很有意思。这个闪闪发光的圆球从未发放过，但是它为LOON团队的气球设计指明了一个新的方向。为了更长的飞行时间，团队开始着手设计超压气球。当气球内部的压力逐渐超过外面的压力时，可以在较长时间内维持恒定的高度。对于超压球来说，球形显然比有锐角的形状更有利于压力均匀分布，避免应力集中。

经过几次失败之后，LOON团队确信已经做出了一个可行的超压气球方案，这个气球大到足够支撑LOON的信号传输设备。问题是，他们没有找到任何一种合适的材料或者制造方法去做出一个足够结实的球体能够承受如此大的压力。团队的想法首先是证明这种设计的可行性，于是，使用早期气球原型的一些边角料，制造了“猎鹰”，一个127英尺长的硬化聚酯薄膜制成的圆柱体，比两条保龄球道还要长。

“猎鹰2号”与“猎鹰1号”的设计一样，但是采用了透明的聚酯薄膜，具有更好的焊接强度。得益于焊接强度的增加，“猎鹰2号”成为他们的第一个超压浮空器，被成功放上了天空并且飞了12天，有很多人误以为在美国的肯塔基州看到了UFO。

“老鹰”版本的长度达到了141英尺，远超“猎鹰”的长度。“老鹰”增加了副气囊的设计，可以用来控制高度，往副气囊内打空气，总重量就会增加，高度就会下降，反之高度就上升，可以通过高度的变化来选择不同的平流层风向。确定了这一关键因素之后，他们开始寻找可以帮助他们大规模设计和制造气球的合作伙伴。

LOON团队与Raven aerostar合作制造了“朱鹮”版本，后者是气球设计和制造领域的专家。与Raven aerostar合作后终于可以制造足够多的气球进行缩比测试，采用的南瓜造型也比圆柱设计结实得多，但并不是一帆风顺。最开始在新西兰进行的初步试验表明，续航时间只有5天。但是时至今日，随着设计和制造流程的不断改进，他们已经能够批量生产续航天数在100天以上的气球，其中最长记录为187天。

在努力提高飞行时间的同时，团队也在持续改善信号传输技术。他们需要更小更灵活的平台，可以快速下降并回收，来反复测试他们的设备。Raven aerostar提供了更小尺寸的“茶隼”版本零压气球，很好地完成了一次又一次测试任务。在2014年项目正式公布一周年之际，他们使用“茶隼”气球完成了在巴西的设备到设备之间的LTE通信测试。

根据LOON团队未来的需求，加上了全功能的信号传输设备、电源和操纵阀等设备，重量超出了“朱鹮”的载荷能力上限，于是Raven aerostar又给他们提供了“百灵鸟”版本，这是他们设计的最大的气球版本了。“百灵鸟”增加了30%的载荷能力，可以充分测试飞行导航、供电和信号系统。

同时，气球制造团队致力于开发一个生产流程，以持续制造合格的超压气球，为此，他们引进了缺陷检测系统，以自动检测膜片上最小的漏洞和缺陷。“灰背隼”首先采用了这个制造流程，大约只有“百灵鸟”一半的尺寸，但是获得了与后者一样的升力，更重要的是达到了续航100天的目标。

时至今日的“夜莺”版本是LOON团队和Raven aerostar团队共同智慧的结晶，集合了以前版本的所有优点，可以携带全功能的LTE测试设备、气球之间通信设备、连接地面基站的设备，而且可以批量生产。虽然还有很多工作要做，但是一想到“夜莺”将给农村和边远地区带去持续不断地互联网接入，团队成员个个感到欢欣鼓舞。

到了“夜莺”版本，LOON气球算是基本定型了，而且也取得了比较理想的效果。來看看谷歌给其研发里程中的气球版本起的名字吧（飞鸟集）。

1.探空气球：翼手龙pterodactyl

2.信天翁Albatross

3.白头翁Grackle

4.正圆球，没发放，无代号

5.猎鹰-A Falcon—a

6.猎鹰V2 Falcon version 2

7.老鹰Hawk

8.朱鹮Ibis

9.茶隼Kestrel

10.百灵鸟Lark

11.灰背隼Merlin

12.夜鹰Nighthawk

看了LOON气球的研发里程，也许你的第一感觉是为谷歌的钻研精神所叹服。谷歌确实是从零开始搞研发的，从“信天翁”到“老鹰”，这些版本的气球水平是很低的，不夸张地说，是业余水平。但是到了“朱鹮“版本，剧情逆转了，直接上超压南瓜球这么高大上的技术了。什么原因呢？Raven aerostar团队参与了气球的设计。

自从aerostar团队参与LOON项目后，可谓进展神速，“夜鹰”版本的平均续航时间大幅度提高，据说在100天以上。看来专业的事情还是要让专业的人来做。（作者为中国科学院光电研究院高级工程师）