FAST 使用便携式质量流量计实现高空气球飞行目标
FAST-4 飞行期间从内华达州南部约 100,000 英尺处起飞
FAST-7高空气球在临近空间拍摄的全景图像
2011 年，Amanda Maxham 博士创立了 Flying Apple Space Technologies (FAST)，该计划利用高空气球 (HAB) 来激发人们对科学、工程、技术和数学的参与。
FAST 团队被鼓励寻找创造性的解决方案来应对与将乳胶气象气球发射到大气层相关的挑战。每个气球都配备了科学包，用于在目标高度进行跟踪、成像和实验，团队的工作是确保它到达需要去的地方。
该团队在两年内进行了超过 17 次发射，拥有各种各样的机会来锻炼他们的科学创造力——其中一次冒险将他们带到了艾里卡特！
发送气球穿越大西洋
FAST 团队有一个雄心勃勃的目标：发射气象气球穿越大西洋。这一壮举要求气球达到并保持足够长的精确高度，以便乘着平流层风从内华达州南部到达非洲或欧洲，距离约为 6000 英里。
挑战：在现场给气球充入适量的气体
HAB 中的一个常见障碍是确定添加到气球中的氦气或氢气的正确量。由于气体的可压缩性，当大气压降低时，气球的体积会膨胀到原始体积的大约 128 倍！因此，用适量的气体填充气球非常重要，气体充满到足以产生升力，但又不会充满到在到达高度之前爆炸。
以前的解决方案：配重块
HAB 团队通常使用重物来测量气球内气体的升力。首先，气球充满气体。然后将其带到室内进行测量，以尽量减少风等外力的影响。此前，FAST 团队通过将 0.5 公斤和 1 公斤的重物堆叠到配重堆上来进行测量，同时观察升空的迹象。
这种测量方法在一定程度上是有效的，但团队的准确度最多只有 0.5 公斤。这对 Maxham 博士和她的团队来说并不令人满意，因此他们寻求一种具有更高准确度的新方法。
新的和改进的解决方案：带累加器的便携式质量流量计
FAST 的 Edward Giandomenico 联系 Alicat，寻找一种高精度测量流入气球的氦气和氢气的方法。Alicat 为团队提供了一台带有累加器的 1500 SLPM便携式质量流量计。
FAST 团队在 FAST-6 发射前给气球充气
质量流量计累计进入高空气球的气体流量
FAST 团队利用该设备克服了一些挑战：
- 由于设备的便携性和 18 小时的电池寿命，他们现在可以在现场进行测量。
- 多个预加载的气体校准使使用屏幕命令可以轻松地在流动的氢气和氦气之间切换。
- 可以设置质量流量累加以防止溢出。
- 气球填充精度变得更高。
该团队能够使用质量流量测量和累加来向气球填充精确数量的氢气或氦气分子，精度提高 5000 倍以上（从 0.5 千克到零点几克）。据 Maxham 博士所知，FAST 是唯一使用流量计来监测进入气球的气体总量的 HAB 组织。
结果：FAST 达到中性浮力！
从朝上的摄像头观察到爆裂期间的高空气球
2013 年 8 月 4 日 FAST-12 的发射和飞行对该团队来说具有里程碑意义，最高高度达到 123,463 英尺，并首次登上业余无线电高空热气球排行榜。该团队完成的最引人注目的壮举之一是实现中性浮力。由于风的波动和飞行距离较长，很难确保气球保持在正确的高度并且不会过早爆炸。气球能够在爆炸前整整 90 分钟内保持一致的高度——这对团队来说是巨大的成功。
他们是如何做到的呢？
在特定高度获得中性浮力的关键是向气球填充足够的气体，使其能够上升，但又不能超过目标。当气球排出的大气质量等于气球本身的质量时，就实现了中性浮力。
使中性浮力成为可能的主要变量是气球的弹性以及由此导致的气球内部压力相对于大气压的增加。这种压力增加在高海拔地区更为显着，从而使气球变得中性浮力。
Eric 使用他的应用程序在现场进行质量和升力计算
FAST 成员使用复杂的公式来计算每次飞行所需的气体质量。该公式包括理想气体定律、胡克斯定律、1976 年标准大气模型和气球弹性模量的计算。更复杂的是，气球上的气压随着压力和温度的变化而变化，乳胶的弹性模量也会变化。此外，当气球在大气层中上升时，气球外部的环境温度会以一种奇怪的方式变化：在对流层内，温度随着高度的增加而降低，但一旦气球进入平流层，温度就会随着高度的增加而增加。一名 FAST 学生，15 岁的 Eric Lujan，实际上创建了一个应用程序来在发射场执行必要的质量计算！
结论
通过合计每个气球内的气体质量，FAST 团队能够让气球升空并在试飞期间生成可重复的数据。该团队成功地利用科学、技术、工程和数学来解决非常复杂的问题——同时还弄乱了一些超级有趣和酷的气球！