地球臭氧保护层的破裂已成为世界关注的问题，可是科学家们怎样才能取得寻找该问题解决办法所需的高空数据？这种无人驾驶动力滑翔机也许是解决这个问题的答案。

在南极洲广阔冻结带80，000呎上空，一架单飞飞机将靠其长长的锥形机翼巡航于大气层中。预计这种被称为柏修斯（Perseus）的无人驾驶动力滑翔机将于1994年飞入比从前涡轮螺旋桨飞机飞得更高的高空，查明地球平流层臭氧保护物出了什么毛病。这将列入南极洲上空稀薄冷空气中搜寻臭氧脱氧化学物质、带回困惑大气科学家多年的重要气样的飞行计划。

该飞机的14.4呎可变螺距螺旋桨——这样长的螺旋桨在柏修斯飞入离空之前是不能旋转的——需要靠遥控飞机用绞车缆从南极洲基地麦克墨多（McMurdo）站拖入大气中。一旦飞机离开地面，发动机就会开始工作，缆绳就会脱离。

接着柏修斯将以40浬左右的时速盘旋上升，飞至臭氧洞中心，在高空中可达200浬的时速。虽然在飞机接近地面时技术人员将通过瞄准线无线电控制器遥控引导飞机，但柏修斯主要是自我导航。柏修斯的机上飞行计算机将在地球定位卫星定向发出的数据基础上传送预编程导航指令。

最后，打算使安装在机首上的传感器反应高空飞行探测器是否进入带粉红色的微冰晶集合物，这是臭氧破坏的一种可疑温床，研究人员把它叫做地极平流层云。机上计算机将命令飞机的空气取样器取样。当飞机探测器不再探测冰时，柏修斯将改变航线，继续作之字形飞行，以便绘制有害云的边界图。

总续航时间大约是6小时，包括1小时的取样时间。柏修斯只能携带爬升的充足燃料，在发动机停止运转后它将无声地滑翔至冰架基地降落。

这种适合科学家研究臭氧消耗的飞行不可能太早来临。地球臭氧保护层似乎正在消失，研究人员需要查明其原因和速度。去年10月，国家宇航局的云雨7号卫星测出了南极洲上空13年来最低的臭氧浓度。迄今为止，这个巨大的臭氧洞仍限制在南半球，但国家宇航局的飞机最近在北极上空发现了富含先兆化学物质的臭氧洞，这种物质正使北部臭氧洞的幽灵出现，也许更使人惊恐的是北部中纬度地区上空稀薄臭氧水平的发现，包括加拿大、新英格兰、英国、法国和斯堪的纳维亚人口聚居区（科学家们说，去年这些地区的环境非常暖和，所以没有突然出现北部臭氧洞）。

从1988年以来，国家宇航局的ER-2侦察机（U-2侦察机的改进型）驾驶员爬升到遥远荒凉的极地上空13哩，为科学家们采集了气样。这些飞行任务根本不是常规飞行。如果这些单引擎飞机有一架在艰巨的8小时、1，500哩飞行期中遇到故障，那么该单飞驾驶员几乎就会丧命。

可是，迄今为止这种冒险成果是值得的，因为这次高空飞行收集物为科学家们提供了他们暗指名叫臭氧破坏的含氯氟烃（CFC）人造氯化合物和要求执行其禁令所需的证据，哈佛大学大气化学家吉姆 · 安德森（Jim Anderton）说，然而目前研究人员更进一步模拟和预报臭氧层变化的能力受到了臭氧洞中心关键气样缺乏的限制，该臭氧洞位于任何先驱飞机升限高度之上。

安德森（他也是国家宇航局6个月长期机载“北极平流层试验2”飞机的派遣科学家）说：“现行大气层模型（用于指导政府的环境决策）缺乏接近15哩或82，000” 呎高空的化学和动态资料，这个高度是臭氧形成与破坏的关键性地区。安德森说：“虽然卫星适合于广阔灌丛图的简单测量，但人们还需要了解臭氧的消耗机制——具备气候学视域的卫星和用直接测量结果了解这种机制的空中运载工具。”

虽然几十年来使用巨型充氦研究气球把仪器拖至罕见的高度，但这种使用不便的航天器易受变化莫测天气的影响，导致起飞延误和有效载荷的偶然损失。而且能飞得相当高的唯一可用飞机是洛克希德（Lockheed）公司的SR-71?鸟，但这种超音速飞机不可能用于取样，于是，柏修斯飞机似乎是为提供这些答案而准备的。

麻省理工学院航空培训工程师兼弗吉尼亚州马纳萨斯的奥罗拉（Aurora）飞行科学公司总经理约翰 · 兰格福特（John Langford）正在为柏修斯飞机提供最大高度的飞行能力、无人驾驶操作和以较低费用在机上携带科学仪器的能力展开工作。奥罗拉公司参谋机构的核心是麻省理工学院戴达罗斯（Daedalus）计划的老手，该计划研制了飞越希腊克里特岛和圣多林之间69哩距离的轻量级脚踏人力飞机［“88磅脚踏飞机”，1987年2月］。柏修斯的研制主要应归功于这种表面上简单的先驱飞机。

麻省理工学院航空学和宇宙航行学副教授马克 · 德雷拉（Mark Drela）设计的戴达罗斯高功效机翼，尽管只用人力发动机驱动，但保持了飞行中飞机的轻薄外观混合形式，兰格福特和德雷拉都知道长、薄形机翼能在与臭氧取样有关的稀薄空气和最大高度中工作。德雷拉回忆说：“显然许多机翼和结构技术是适合高空飞行飞机的。”

为了满足低费用、高高度、无人驾驶平台的需要，几年前国家宇航局、国家海洋大气局和国家科学基金会的专家小组制定了大气层现场研究工作计划。除臭氧化学外，这个专家小组还需要能帮助确定云在地球升温中的作用以及为新能源部研究气候变化、查明猛烈风暴原因和评价未来超音速客机排出物的影响而调查研究平流层/对流层混合现象的飞行器。

国家宇航局设在加州爱德华兹的艾梅斯 · 德赖登飞行研究室合成小型高空科学航天器计划的计划管理人詹尼弗 · 贝尔里德哈特（Jennifer Baer-Riedhart）回忆说：“要点是制造适用于1993~1994年的飞行器。”已完全在向这种航天器发展的奥罗拉公司同国家宇航局签订了价值225万美元的合同。在2年内提交两架柏修斯飞机。

为了降低成本，兰格福特注意到修改现成部件和现有设计的策略，而不是发展传统技术。这样做的结果则是拥有59呎翼展和低阻力空气动力学设计的轻型（1，320磅）“无人驾驶翱翔机的变体”。机翼、螺旋桨，尾翼面和尾桁都是用树脂浸透的凯夫勒 · 阿拉米德（Kevlar Aramid）、诺梅克斯（Nomex）蜂窝状坭芯和石墨布模制的。

曾任奥罗拉公司飞机结构小组领导人的西格弗里德 · 泽尔威克（Siegfried Zerweckh）说，“柏修斯飞机的合成结构类似于狂热推行的比赛用滑翔机的结构，这种飞机是无人驾驶的，其结构不必像商用飞机那样经常运行（即，没有每次飞行后的检查）的事实意味着我们可以无限扩大材料。”

泽尔威克接着说：“我们几乎在每个部件中都使用刚性夹心形结构，包括机翼、尾翼面和尾桁。例如，30呎长的3块机翼只在翼展方向用4根翼肋支撑。所以这种夹心形结构飞机主要是自立的。再如，19.7呎的机翼控制板重170磅，结果形成了较轻的结构。”

机上飞行控制/导航计算机、遥控自动驾驶仪电子控制系统和独特的闭合循环推进系统完善了飞机的大部分货舱，国家宇航局认为柏修斯的推进系统对于单为该计划提供150万美元资金的努力取得成功是十分重要的。

为了与奥罗拉公司传统名字的爱好一致，特授予柏修斯飞机的推进系统以阿勇（Arion）称号。这就是包括液体冷却、65马力诺顿（Norton）转缸式发动机、控锁螺旋桨的备用双速减速变速箱、刚性碳纤维驱动轴、大型可变螺距螺旋桨、汽油与液态氧贮存缸和大型冷却排气冷凝器在内的独特闭合循环系统。

上述系统大部分是奥罗拉公司总工程师马丁 · 韦德（Martin Waide）的成果，他曾是英国洛塔斯（Lotus）集团和几家美国军用遥控导向飞行器制造商的工程师。

柏修斯飞机选用闭合循环燃烧发动机系统，因为该系统源于鱼雷和潜水艇完成的成果，所以价格最便宜，发展速度也最快。不用笨重、昂贵的涡轮增压器维持动力，发动机排气与燃料和氧一起返回入口。据高级推进器工程师斯蒂芬 · 亨德里克森（Stephen Hen-drickson）报道，整个发动机配件已于5月成功地进行了地面试验。

燃烧燃料－空气混合物能产生近2，000°F的排气温度，排气一般排出机外。但由于柏修斯的排气要循环，所以机翼上方的大型辐射器必须对付这样的高温。奥罗拉小组正在研制能在低大气层中工作的大型不锈钢、铝散热片－管型热交换器，这里的热传递是非常缓慢的。

去年11月，柏修斯A原型在加州莫贾维沙漠的埃尔米拉格干湖底上空初次飞行时远未达到其最大高度，当它飞到3，000呎安全升限时受到了限制。可是3次短暂的试飞却为今后2年的高空飞行任务铺平道路提供了数据，那时柏修斯A将分件空运至麦克墨多站。7个地勤人员将迅速集合，为飞机起飞作好准备。

柏修斯将携带哈佛大学安德森设计的装在机首的轻型密封装置。他的110磅空气取样/分析系统，使用测量臭氧浓度的光学紫外线吸收技术和测量万亿分之一臭气破坏先兆化合物水平的复杂光子散射仪。3月，国家宇航局气球专家们完成了一系列艰巨的试飞任务，在试飞期间从格陵兰岛西海岸向高空发射时，小型传感器包及其电子设备经受了-89℃温度并未损坏。

最近，安德森及其两位同事报道的广泛控制理论清楚地说明为什么跟踪这些先兆化合物是极其重要的。

众所周知，不受阻碍的紫外线辐射不仅能引起皮肤癌、白内障、伤害免疫系统，而且还会破坏生态系统和农业。

冬季太阳离开极点时，平流层的空气迅速变冷，致使空气中的三水合硝酸（NAT）冻结。这些微硝酸晶体结成水－冰颗粒，颗粒又聚集成缥缈的粉红色云（这正是柏修斯的探测器瞄准的那种云）。

冰－硝酸颗粒一形成，冰面就会发生充当催化剂的盐酸和氯硝酸快速反应。前者吸附在晶体的边缘，而冰粒则与后者相碰释出分子氯（Cl₂）。安德森说：“无人认为冰面能充当释放分子氯的催化剂。”

当极地空气团冷却时，它们就会下沉。当周围空气流入占据冷空气位置时，地球自转偏向力——由地球旋转引起——就会引导急速流动的空气转入大陆规模的旋转气流。这些极地旋风充当了不可渗透的墙，并隔离墙内空气。尽管极地风平浪静，但游离分子氯仍保持在高空。

由于春季太阳回复，实际上所有分子氯分离成游离氯基——渴望重新结合的氯原子。这种氯原子助长了一系列同时破坏臭氧的催化反应。

安德森特别提到：“游离氧化氯像Pac-Man—样破坏臭氧。根据我们观测的浓度——以体积计，超过十万分之一，我们估计臭氧每天损失1%。”

春季之后，全球规模的空气波冲击极地旋风，分散旋风，补充极地臭氧。有人认为北极臬氧洞已经形成，因为北部旋风受附近山脉的影响而处于不稳定状态。

许多科学家都意识到，平流层取样对于寻找臭氧消耗问题的解决办法是极其重要的，目前，已有几种其他高空飞行飞机列入了计划。已经研制而未使用的飞机是巨型神鹰（Condor）无人驾驶飞机，该飞机是西雅图波音（Boeing）公司按国防部秘密计划研制的，这种20，000磅的神鹰使用一对液体冷却，有两级涡轮增压与内冷却驱动三桨片的175马力特勒达因大陆发动机（Teledyne Continental engine）和16呎长的螺旋桨。据报道，虽然这种价值2，000万美元的飞机已于1989年完成了8次试飞，但政府缺少经营它的资金。波音公司的神鹰在这些试飞中有一次创造了螺旋桨驱动飞机67，028呎高度的世界纪录。另一方面，这种机密无人驾驶飞机在高空连续飞行了两天半，飞行距离约为20，000哩。

随着扩大续航时间和高度的费力缓慢前进，这些用螺旋桨驱动的平流层巡航机终将充当“贫民卫星”的角色。

[Popular Science，1992年7月]