为纪念我们创刊150周年，我们重温了那些帮助定义科学进步、理解和创新的《Popular Science》故事（包括成功与失败），并加入了现代背景。探索完整的《档案精选》系列，并在此查看所有周年纪念报道。
三十年前，氯氟烃（CFCs）的有害云层已经在地球平流层聚集了半个世纪，它们会在南极洲上空形成一个季节性的大洞，其直径是冥王星的两倍。虽然南极的现象很极端，但它凸显了整个地球大气层中正在发生的灾难。平流层中的臭氧越来越少，无法有效阻挡太阳的紫外线辐射，这将导致农作物歉收，皮肤癌发病率飙升。
到《Popular Science》杂志在 1992 年 7 月刊登一篇特稿，描述全球科学家为理解臭氧破坏动力学所做的紧迫努力时，我们的前景已经十分严峻。 《Popular Science》资深编辑 Steven Ashley 写道：“地球的臭氧层似乎正在失效，研究人员需要尽快找出原因。” Ashley 表示，NASA 已经倾尽全力，制造了一架机器人数据采集无人机，用于探测南极洲上空的大气层顶端——极地涡旋。这架名为 Perseus 的飞行器利用 GPS 和预设航线来探测臭氧。
1987 年，地球上的所有国家（这是第一次也是唯一一次）批准了一项旨在扭转损害的条约。《蒙特利尔议定书》制定了逐步淘汰 100 种被称为臭氧消耗物质（ODS）的制造化学品的指导方针。自《Popular Science》杂志在 1992 年刊登该特稿以来，ODS 的排放量已减少了 98%。虽然南极臭氧洞的大小和严重程度逐年波动，受季节性温度和湿度等多种因素的影响，但整体趋势一直在改善。专家预测将在 2070 年完全恢复。这不仅是一个罕见的环保成功故事，它也告诉我们一个关于臭氧的教训：当大家齐心协力时，即使是全球规模的惊人成就也是可能的。
不幸的是，这种团结一致的努力在温室气体方面却难以实现。自 1992 年以来，世界各国领导人已经三次尝试签署减少温室气体的条约，最新的就是《巴黎气候协定》。尽管如此，除了巴黎协定在美国重新加入后已接近达成一致外，这些条约均未获得一致通过。
《Popular Science》，“臭氧无人机”（Steven Ashley，1992 年 7 月）
地球臭氧层的破裂已成为全球关注的问题。但科学家如何才能获得他们所需的高空数据来寻找解决方案？这款无人动力滑翔机可能就是答案。
在南极洲广阔的冰原上空八万英尺处，一架孤独的飞机将以长而细长的机翼在平流层巡航。这款名为 Perseus 的无人动力滑翔机预计将在 1994 年飞到前所未有的高度，以了解地球平流层臭氧层到底出了什么问题。它将被编程为在南极洲寒冷稀薄的空气中搜寻破坏臭氧的化学物质，并将带回大气科学家多年来一直未能获取的关键空气样本。
这架飞机 14.4 英尺长的可变螺距螺旋桨——长到在 Perseus 起飞前无法旋转——将需要该机器人飞行器从其在南极麦克默多站的基地，通过绞车卷绕的缆绳牵引升空。一旦升空，发动机将被启动，缆绳也将被解开。
Perseus 将以大约 40 节的速度螺旋上升到臭氧洞的中心，在较高高度达到 200 节的速度。虽然当飞机靠近地面时，一名技术人员会通过视距无线电控制远程驾驶飞机，但 Perseus 大部分时间将是自主飞行。其机载飞行计算机将根据全球定位卫星传输的数据执行预设的导航指令。
最终，如果高空探测器进入一种由微小冰晶组成的、被怀疑是臭氧破坏温床的、看起来像薄雾般的粉红色聚集体——研究人员称之为极地平流层云——那么安装在机头上的传感器将做出反应。机载计算机将指示飞行器的空气采样装置启动。当其传感器不再探测到冰时，Perseus 将改变方向，继续以之字形模式飞行，以绘制有害云层的边界。
总飞行时间约为六小时，其中一小时用于空气采样。 Perseus 的燃油量仅够用于爬升，因此在发动机停止后，它将无声地滑翔，降落在其在冰架上的基地。
对于研究臭氧消耗的科学家来说，这样的飞行越早越好。地球的臭氧层似乎正在失效，研究人员需要尽快找出原因。去年 10 月，NASA 的 Nimbus-7 卫星测量到了 13 年来南极洲上空最低的臭氧浓度。这个巨大的臭氧洞迄今为止仅限于南半球，但 NASA 的飞机最近在北极高空发现了大量的臭氧洞前体化学物质，这引发了北极出现臭氧洞的担忧。或许更令人担忧的是，在包括加拿大、新英格兰、英国、法国和斯堪的纳维亚人口稠密地区在内的北温带地区，臭氧水平正在变薄。（科学家表示，今年年初的条件异常温暖，因此没有出现北极臭氧洞。）
自 1988 年以来，NASA ER-2 侦察机（改装过的 U-2 间谍飞机）的飞行员已经爬升到偏远荒凉的极地地区 13 英里高空，为科学家收集空气样本。这些任务绝非例行公事。如果其中一架单引擎飞机在这些艰苦的八小时、1500 英里夜间飞行中遇到麻烦，单座飞行员几乎肯定会丧生。
然而，到目前为止，高空采集者提供的回报证明了冒着风险是值得的，它们为科学家提供了必要的证据，将人造氯化合物氯氟烃（CFCs）与臭氧的破坏联系起来，并呼吁禁止使用它们。尽管如此，哈佛大学大气化学家 Jim Anderson 表示，研究人员对进一步模拟和预测臭氧层变化的能力仍然受到关键空气样本稀缺的限制，这些样本来自臭氧洞的核心区域，而该区域的高度已超出任何载人飞机的升限。Anderson 也是 NASA 为期六个月的“飞越北极平流层实验-2”（Airborne Arctic Stratospheric Experiment-2）任务的首席科学家，他表示，目前的大气模型（用于指导政府的环境政策决策）缺乏关于 15 英里（约 82,000 英尺）高度附近化学反应和运动的信息——这是臭氧形成和破坏的关键区域。Anderson 说：“卫星可以提供粗略的测量图，但要理解臭氧消耗机制，你需要两者兼备——卫星用于气候学视角，飞行器用于直接测量以理解机制。”
几十年来，巨型充气研究气球一直被用来将仪器运送到极端高度，但这些笨重的飞行器受天气影响很大，导致发射延迟和偶尔的载荷丢失。唯一可用的能够飞到足够高空的飞机是洛克希德公司的 SR-71 黑鸟，但该飞机的超音速会使采样变得不可能。因此，Perseus 似乎有望提供许多答案。
马萨诸塞州理工学院（MIT）训练的航空工程师 John Langford，弗吉尼亚州马纳萨斯 Aurora Flight Sciences 公司总裁，正在致力于打造 Perseus，以提供极高空能力、无人驾驶操作以及以相对较低的成本将科学仪器带到高空的可能性。Aurora 公司的工作人员大部分是 MIT Daedalus 项目的资深成员，该项目曾开发了轻型的、由人力驱动的飞机，该飞机曾以 69 英里的距离从希腊克里特岛和圣托里尼岛之间飞行（参见 1987 年 2 月的“88 磅脚踏飞机”）。Perseus 的开发在很大程度上得益于其看似简单的先驱。
由 MIT 航空航天学副教授 Mark Drela 设计的 Daedalus 高效率机翼，让这架看起来很脆弱的复合材料飞行器在仅仅依靠人力驱动的情况下保持了空中悬浮。Langford 和 Drela 知道，其长而细的机翼形状将在稀薄的空气和与臭氧采样相关的极端高空环境中发挥作用。Drela 回忆道：“很明显，大量的翼型和结构技术将适用于高空飞行器。”
几年前，NASA、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）以及美国国家科学基金会（NSF）的专家小组确定了对低成本、高空、无人平台进行实地大气研究的必要性。除了臭氧化学，专家组还希望有一种飞行器能够帮助确定云在全球变暖中的作用，研究用于能源部一项新的气候变化研究的平流层/对流层混合现象，寻找严重风暴的原因，并评估未来超音速客机尾气排放的影响（参见 1991 年 2 月的“下一代超音速客机”）。
“关键在于飞行器要在 1993-94 年的时间框架内可用，”NASA 爱德华兹加利福尼亚州艾姆斯-德赖登飞行研究中心小型高空科学飞机项目（Small High-Altitude Science Aircraft program）的项目经理 Jennifer Baer-Riedhart 回忆道。Aurora 公司已经在这方面取得了进展，获得了 NASA 价值 225 万美元的两年期合同，用于交付两架 Perseus 飞机。
Langford 指出，为了降低成本，公司的策略一直是修改现有的组件和设计，而不是开发定制技术。
结果是，这架重 1,320 磅的“无人滑翔机”，翼展 59 英尺，采用低阻力气动设计。机翼、螺旋桨、尾翼和尾撑均由浸渍树脂的凯夫拉芳纶纤维、诺梅克斯蜂窝芯和石墨纤维制成。
Aurora 公司的结构组组长 Siegfried Zerweckh 说：“Perseus 的复合材料结构就像是运动滑翔机的极限版本。这架飞机是无人驾驶的，而且其结构不需要像商用飞机那样永远工作（即，每次飞行后不需要进行检查），这意味着我们可以将材料推向极限。
“我们在几乎所有部件，包括机翼、尾翼和尾撑上都使用了夹层结构来提供刚度，”Zerweckh 继续说道。例如，这三个部分的 30 英尺长的机翼，仅有四个翼肋在翼展方向支撑它们，因此结构夹层面板大部分必须是自支撑的。例如，一块 19.7 英尺长的机翼面板重达 170 磅。结果是一个相对轻巧的结构。
机载飞行控制/导航计算机、电传操纵电子控制系统和一个不寻常的闭式循环推进系统构成了飞机的大部分体积。NASA 认为 Perseus 的推进系统对项目的成功至关重要，为此单独拨款了 50 万美元。
为了符合 Aurora 公司偏爱经典名称的习惯，Perseus 的推进系统被命名为 Arion。这是一个不寻常的闭式循环系统，包括一个水冷 65 马力旋转诺顿发动机、一个带离合和锁定螺旋桨功能的多速减速齿轮箱、一个坚固的碳纤维传动轴、一个大型可变螺距螺旋桨、汽油和液氧储存罐，以及一个大型冷凝器来冷却排气。
这很大程度上是 Martin Waide 的工作成果，他曾是 Aurora 公司的主任工程师，并曾在英国的 Group Lotus 公司以及多家美国军用遥控飞行器制造商任职。
Perseus 选择闭式循环燃烧发动机系统，是因为它是开发成本最低、速度最快的。该系统源自为鱼雷和潜艇所做的研究。它不像使用笨重昂贵的涡轮增压器压缩外部空气来维持动力，而是将发动机排气与燃料和氧气一起送回进气口。高级推进工程师 Stephen Hendrickson 报告说，整个发动机系统已于 5 月份成功进行了地面测试。
燃烧燃料-空气混合物产生的排气温度接近 2,000 华氏度，这通常会被直接排放到大气中。但由于 Perseus 的排气将被回收利用，机翼上方的巨大散热器必须带走其热量。Aurora 团队正在开发大型不锈钢和铝制翅片管式热交换器，它们能在传热缓慢的低大气压下工作。
去年 11 月，原型机 Perseus A 在加利福尼亚莫哈韦沙漠的 El Mirage 干湖床上的首次飞行中，并未达到其极高空目标，仅限于 3,000 英尺的安全高度。但三次短暂的试飞提供了数据，为两年后的高空飞行任务铺平了道路。届时，Perseus A 将被拆解运往麦克默多站。在那里，一个七人地面团队将快速组装飞机并准备发射。
哈佛大学的 Anderson 设计了 Perseus 将携带的轻型、安装在机头上的仪器包。他重 110 磅的空气采样/分析系统采用光学紫外吸收技术测量臭氧浓度，并采用更先进的光子散射装置测量每万亿分之一（parts per trillion）的臭氧破坏前体化合物的含量。3 月份，NASA 的气球专家完成了一系列艰难的试飞，在此期间，小型化的传感器包及其电子设备在高空从格陵兰岛西海岸发射时，经受住了 -80°C 的低温。
Anderson 和两位同事最近报告的一项广为流传的理论，阐述了追踪这些前体化合物为何如此重要。
已知未受阻挡的紫外线（UV）辐射会导致皮肤癌、白内障、免疫系统受损，以及破坏自然生态系统和农业。
冬季，当太阳离开极地时，平流层空气会迅速变冷，空气中的三水合硝酸（NAT）会结冰。这些微小的硝酸晶体作为冰种，形成水冰颗粒，这些颗粒聚集形成我们之前提到的、Perseus 探测器将对准的薄雾般的粉红色云朵。
一旦冰-硝酸颗粒形成，在冰表面就会发生涉及盐酸和氯化硝基的快速反应，冰表面充当催化剂（参见“氯的联系”）。前者吸附在晶体边缘，而冰颗粒与后者碰撞则释放出分子氯（Cl2）。Anderson 说：“没有人预料到冰表面会充当释放分子氯的催化剂。”
随着极地气团的冷却，它们会下沉。当周围的空气流入以填补冷空气的位置时，由于地球自转产生的科里奥利力，流入的空气会被引导成大陆规模的旋转气流。这些极地涡旋充当半渗透的壁，将内部的空气隔离开来。尽管极地空气下沉，但游离的分子氯仍然保持在高处。
随着春季阳光的回归，几乎所有的氯分子都会分解成游离的氯自由基——饥渴地想要重新结合的氯原子。这些氯会引发一系列催化反应，共同破坏臭氧。
“氯单氧化物像吃豆人一样吞噬臭氧，”Anderson 指出。“以我们观测到的浓度——超过十亿分之几（part per billion），我们估计每天损失 1% 的臭氧。”
在本季节晚些时候，行星尺度的大气波会冲击极地涡旋，将其打破并补充极地臭氧。有人认为北极臭氧洞尚未形成是因为北极涡旋由于附近山脉的存在而不稳定。
许多科学家认识到，对平流层进行采样对于解决我们的臭氧消耗问题至关重要。还有几架高空飞机正在计划中。由西雅图波音公司在秘密国防项目下开发的巨型 Condor 无人驾驶飞机已经研制成功，但尚未投入使用。这架重 20,000 磅的 Condor 由 8 台水冷 175 马力的 Teledyne Continental 发动机驱动，配备二级涡轮增压和中冷器，驱动三叶、16 英尺长的螺旋桨。尽管据报道耗资 2000 万美元的该飞行器在 1989 年完成了八次试飞，但政府缺乏运行资金。在其中一次飞行中，波音 Condor 创造了螺旋桨驱动飞机 67,028 英尺的世界高度记录。在另一次飞行中，这架秘密无人机在空中停留了 ढाई天，飞行距离估计为 20,000 英里。
其他飞机开发商则选择了载人路线。来自德国奥伯普法芬霍芬航空航天中心的航空航天研究中心（DLR）的一个团队提出了开发一款名为 Strato-2C 的双座飞机，该飞机能够达到 85,000 英尺的高度或飞行 10,000 英里。这款复合材料飞机将由两台 402 马力的 Teledyne Continental 发动机和涡轮增压器提供动力。
Aurora 的工程师们正在计划 Perseus “吉普车”（NASA 对下一款更大尺寸飞行器的称呼）的几种衍生型号。装配高效涡轮增压发动机的 Perseus B 型可以在比 A 型稍低的高度连续飞行数天，例如可以盘旋在飓风之上。名为 Theseus 的“货车”尺寸飞行器，翼展 188 英尺，采用双后掠螺旋桨动力装置，可以携带 440 磅的有效载荷，在约 100,000 英尺的高度飞行约一个月。更长远来看，太阳能驱动的 Odysseus “卡车”可以携带 110 磅的有效载荷在平流层巡航长达一年。
通过努力延长飞行时间和提高飞行高度，这些螺旋桨驱动的平流层巡航机很可能成为“穷人的卫星”。
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