飞到大气层边缘，“佩兰”2号创造的不仅是纪录

如果要飞到大气层边缘，通常需要一台动力强劲的喷气式发动机，一大箱燃油，一位资深老道的飞行员，此外还有一直环绕在耳边的巨大噪音，这才是我们认知中的世界。

这个世界此刻发生了一些改变。

2018年9月2日，空中客车“佩兰”2号无动力滑翔机在吉姆·佩恩（Jim Pavne）和蒂姆·加德纳（Tim Gardner）的驾驶下，从阿根廷南部城市埃尔卡拉法特（西经72°，南纬50°）机场拖曳起飞，一举爬升至海拔约23200米（GPS高度76124英尺）的平流层高空。整个上升过程中，两名飞行员在驾驶舱内听到的只有设备电流产生的微弱声响。

23000米，这个高度意味着他们飞过了“阿姆斯特朗线”，这是航空生理学中的一个界限，如果没有保护，人类体内的血液、唾液，以及包括眼睛里的所有水分都将因为气压过低而在一分钟内迅速沸腾蒸发。

与其他很多滑翔机的起飞方式相同，“佩兰”2号使用产量仅有6架的格罗布·埃格雷特（Grob Eqrett）G520高空长航时侦察机拖曳起飞。但不同的是，这架G520经过了特殊改装，为了能将“佩兰”2号送的更高。

白天也能看星星

此次飞行中，“佩兰”2号不仅创造了新纪录，还收集了飞行性能、天气以及大气等重要的数据。这是“佩兰”2号在一周内连续3次创造滑翔机飞行的高度纪录，8月26日，佩恩和摩根·山德考克：Morgan Sandercock）驾驶“佩兰”2号爬升至约19200米，打破了2017年9月3日，同样由“佩兰”2号创造的约16460米的无动力滑翔机飞行高度纪录。8月28日，佩恩和另一位飞行员米格尔·伊图尔门迪（Miguel Iturmendi）飞到了约2万米。有人驾驶飞机的水平飞行高度纪录是由SR-71“黑鸟”保持的25929米。而在条件允许的情况下，配备增压座舱的“佩兰”2号滑翔机的设计飞行高度可达到27432米（9万英尺），那里的空气密度仅为海平面的3%，如果要飞到那里，飞机必须设计的非常轻，或者飞行速度非常快。

“佩兰”2号没有动力，只能以轻取胜，1800磅（约820千克）的重量，流线型机身超级顺滑，全长10米，翼展25.5米，高度2.2米，机翼展弦比达到了27：1。为了实现设计指标，“佩兰”2号采用复合材料制造，舱内可以保持0.58个大气压力，相当于海拔4000米的高度，成员在舱内不需要穿着增压服。

在2万米高空翱翔，“佩兰”2号的速度达到了450千米/小时，但机舱内的表速显示仅为36节，约66千米/小时，这是因为此时的空气十分稀薄。事实上，“佩兰”2号的设计时速可以达到698千米/小时的真空速，是无动力滑翔机中飞的最快的。

Tips one

极地涡旋：是一种持续的、大规模的气旋，且只发生在地球的两极，介于对流层和平流层的中部和上部，这种涡旋在极夜的时候最为强大，因为此时的温度梯度是最大，但持续缩减，到夏季甚至会消失。南极极地涡旋比北极板地涡旋更为显著，持续时间也更长。一些天體同样已知有极地涡旋现象，包括金星、火星、木星和土星的卫星土卫六。

佩恩说：“在那个高度，即使在白天也能看到星星。这种体验真的很有趣。”滑翔机舱内纵列着2个躺椅，“这很舒服，”他补充说：“飞行虽然是个漫长的任务，但我们需要不断处理身边的信息：天气、气流、空中交通管制等等，所以感觉时间过得飞快。”

为了能够飞上27432米——接近真空的高度，没有动力的“佩兰”2号必须借助巨大的平流层山脉波才可能实现。那是一种因强风横扫高耸的山峰后，在背风——侧形成强大的纵向气流。这可能还不够，如果有极地涡旋助力，两股涡共同产生的升力才足够强大。目前人类探测到的最强的山脉波形成在阿根廷南部的安第斯山脉，它会与南极涡旋相互作用。这就是为什么“佩兰”2号选择在阿根廷南部城市埃尔卡拉法特市进行试验的原因。

平流层的珠光云

“佩兰”项目的名字取自斯堪的纳维亚半岛的平流层珠光云，是阿伊纳·伊南沃森（Einar Enevoldson）的心血结晶。伊南沃森曾是英国皇家空军、美国空军和美国国家航空航天局（NASA）的试飞员。伊南沃森曾飞过几十个型号的飞机，包括F-86、F-14以及F-111等，他还试飞过一些特殊的试验型号飞行器，包括外形奇特的AD-1和X-24B。在新型飞行器探索的黄金年代，伊南沃森是那群精英飞行员中的一员，这群人还有查克·耶格尔（Chuck Yeager，美国空军准将、二战空战英雄、首位突破声速的人类）、斯科特·克罗斯菲尔德（Scott Crossfield，美国海军飞行员，首位2倍声速创造者）和其他推动航空领域发展的杰出人士。

1986年，伊南沃森从NASA退役后，在德国格罗布飞机公司担任试飞员，负责德国航空航天研究中心测试研发的高空试验性飞行器。虽然该项目后被取消，但这项工作激起了他对高空飞行的兴趣。

伊南沃森回忆说，1992年，他在办公室外的走廊上注意到一幅贴在大气研究员办公室外的图像，展示的是巨大的山脉波激光雷达回波，这比他此前见过的任何山脉波都要大。图像激起了伊南沃森的遐想，他意识到，如果将这种波浪气流和足够强的风结合，将会推动滑翔机飞到前所未有的高度。

飞行在巴塔哥尼亚冰原湖面上的“佩兰”2号。

G520涡轮螺旋桨飞机拖曳“佩兰”2号至平流层底部（约8000米）后释放。

其实在很久以前，人们就已经开始驾驶滑翔机，学习如何驾驭气流。“佩兰”项目的首席飞行员佩恩说：“在我住的地方，每年夏天，我们都会利用那个季节的气流飞滑翔机，飞到5500米太平常了。有时候我们甚至会飞到7600米，但这个高度是个坎儿，因为我们没有增压机舱和供氧系统。”上世纪80年代，作为美国空军“翱翔鹰”（Soar Eagle）项目的—部分，他驾驶一架高空滑翔机，以证明飞机能在1万米的高空飞行，但当时并没有成功。佩恩此后在加利福尼亚州的美国宇航局德莱顿飞行研究中心遇到了正在出差的伊南沃森。

在了解了山脉波的更多知识后，伊南沃森开始研究平流层山脉波。他从大气物理实验室中了解到，所有的平流层山脉波都发生在距离两极35°至40°之间的弧内。大气物理学家伊丽莎白·奥斯丁研究认为，发生在极地冬季超过400千米/小时的极地涡旋和平流层山脉波相互作用，可以产生高度超过4万米的上升气流——这个数据超出了当时所有人的想象，这给了伊南沃森尝试挑战的信心。经过对地理位置的考证，前后排除了北半球的俄罗斯、瑞典、美国阿拉斯加等地的气象条件后，他们将注意力转到南半球，那里可以找到被山峰包围的大片开阔水域，并最终将试验地点选定在了安第斯山脉东部边缘的阿根廷埃尔卡拉法特，那里有一处三面环山的淡水湖，试验条件十分理想。他们为此设计了一架不具备座舱增压的滑翔机，名为“佩兰”1号，而飞行员史蒂夫·福塞特（Steve Fossett）和伊南沃森则穿上了类似SR-71侦察机飞行员的舱内增压服。“佩兰”1号项目的进展顺利，他们飞到了15 460米，打破了当时滑翔机的飞行高度纪录。

“佩兰”项目创始人阿伊纳·伊南沃森（左）与史蒂夫·福塞特（已故）身穿增压服在“佩兰”1号前合影。

投资的是未来

但是，单有想法也不够，“佩兰”还需要大量财力支持。项目的一个转折点在2007年，“佩兰”2号的首席财务官福赛特在9月7日的一次飞行中，在内华达山脉遇难，直到一年后的2008年，飞机残骸才被发现。没有福赛特的资金支持，“佩兰”2号项目进展得断断续续，伊南沃森不得不将大部分时间花在筹款演讲上，他预估项目需要约700万美元。幸运的是，在那段四處奔走筹款的途中，他获得了一群对“佩兰”2号充满激情的人的支持，他们为项目捐款的同时，一些人和伊南沃森走到了一起，加入到了“佩兰”项目中。

个人的力量总是薄弱些，2012年，资金最终枯竭，“佩兰”项目进入假死状态。2014年，欧洲飞机制造商空中客车宣布，愿意成为“佩兰”项目的合作伙伴，为其提供资金、技术等多方面的支持。柳暗花明，“佩兰”复活。

空中客车表示，“佩兰”项目将帮助他们了解超高海拔区域的飞机操纵性，这对未来的客机，甚至火星飞行都有探索价值。火星低空大气密度与“佩兰”计划飞行高度的大气环境类似。2015年7月，“佩兰”2号滑翔机在美国联邦航空管理局获得注册号N901EE，其中“90”用于纪念预定高度，“EE”则是向项目创始人阿伊纳-伊南沃森（名字的首字母）致敬（注：因为N900EE已经被注册，故选用N901EE）。

取得今天的成绩，以及为了实现9万英尺的目标，“佩兰”2号滑翔机也可谓是身怀绝技。碳纤维材料自然不必多说，这是目前适合制造飞机的最轻材料，被动式舱内增压系统，免去了又重又耗电的压缩机。一套专门为“佩兰”2号设计的闭环换气系统，所使用的氧气来源于机组的新陈代谢，这是密封舱中最轻、最高效的系统，也可以用在其他高空飞行器上。

“佩兰”2号上还有一双特殊的眼睛——机载“山脉波可视化系统”，可以在驾驶舱中为飞行员实时显示周围环境中的上升和下沉气流。对普通民用飞机来说，利用上升气流可以加快爬升速度，节省燃料，可视化系统也可以帮助飞机避免危险，例如风切变和严重的下沉气流。

和其他的有动力飞行器不同，“佩兰”2号不会影响周围空气的温度和化学性质，这使其成为研究高空大气的理想平台。因此，在它的仪器舱内载满了与高空飞行、天气和气候变化相关的新设备，包括一台由阿根廷科学研究院和国防科学研究所共廷国立技术大学学生设计的飞行数据记录仪，空间天气（辐射）记录仪，以及由“佩兰”项目团队开发的两个新的环境传感器。

随着时间的推移，9月之后南半球进入夏季，南半球极地涡旋和平流层山脉波也开始逐渐减弱，因此在2018年9月2日，“佩兰”2号创纪录的飞到了23200米之后，便没有更好的气象条件。团队也在9月中旬结束了2018年度的探索，他们将飞机装船运回美国，人员也从巴塔哥尼亚返回其位于美国及世界各地的家中。

要知道，“佩兰”项目中的所有人员都是志愿者，他们来自不同国家、不同工作岗位，以自愿形式为非盈利的“佩兰”项目提供着自己的专业知识。正是因为这种无私地对科学的探索，“佩兰”项目还得到了除空中客车之外的Weather Extreme有限公司、联合技术公司和BRS航空航天公司，以及丹尼斯·蒂托等企业或个人的赞助支持。

空中客车公司首席执行官托马斯·恩德斯说：“创造世界纪录是我们朝着目标迈进的可喜一步，但目标本身就是提高我们的知识和专业技能。通过探索尚未被充分探索的大气部分，‘佩兰’项目正教会我们如何高效地在高空飞行，探测自然升力源并避免颠簸，甚至包括翼载火星探测的可行性。作为一家不仅生产客机而且生产高空无人机的公司，例如空客太阳能电动平流层无人机‘和风’（Zephyr）以及机器人火星车探测器，‘佩兰’滑翔机的每一次飞行都是对我们未来的投资。”

责任编辑：陈肖

滑翔机借肋山脉波爬升的原理图。气流遇到大型山脉阻挡后，会在背风一侧形成巨大的涡流和扰动。

Tips two

阿姆斯特朗线：又称阿姆斯特朗极限，航空航天专有名词，意指在特定海拔高度上，由于环境大气压力过低（0.0618大气压），导致水的沸点也降低至接近人类的体温（摄氏37度）。如果人类在没有任何加压措施的保护下超越此高度，包括泪水、唾液和保持肺泡湿润的体液全都会在极短的时间内沸腾并蒸发逸失，导致肺部无法进行氧气的交换而窒息。

阿姆斯特朗线的命名源自前美国空军少将、身兼飞行员与医生身份的哈瑞·乔治·阿姆斯特朗博士（Harry George Armstrong，1899年-1983年）。依照地理位置与大气环境的差异，阿姆斯特朗线通常位于18900至19350米的高空。

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