高空科学气球通常利用氦气或氢气，将数百千克至数吨科学仪器提升至30至50千米高度进行科学工作。对于天文观测而言，高空科学气球使得人类首次可以尽可能摆脱大气层的干扰，进行以往地面观测无法实施的项目。

高空科学气球的飞行高度一般位于平流层，它的飞行高度虽然不如卫星，但却比飞机高得多，一般可达40～50千米。由于高空气球造价低廉、组织飞行方便、试验周期短，因此越来越受到科学工作者的青睐，并被广泛应用于高能天体物理、宇宙线、红外天文、大气物理、大气化学、地面遥感、高空物理、生理、微重力实验等方面的研究，同时也大量应用于外层空间宇宙设备的预研和试飞以及军事方面等。

1912年，奥地利物理学家V.F.赫斯乘坐氦气球升空进行实验，用气球将电离室送到距离地面5000多米的高空，证明了宇宙射线的存在。可以说这是人类第一次进行的空间天文观测试验。1936年赫斯由于发现宇宙射线获得了诺贝尔物理学奖。

现代高空科学气球通常包括气球本体、回收装置、能源及通信系统、科学仪器等四个部分。气球本体通常由高性能聚乙烯薄膜构成，能够在高空低温低压环境下维持气球形状稳定，同时自身重量应尽可能轻，提高科学气球的载荷能力；常见的科学气球体积在高空可膨胀到几万至几十万立方米（图1）。回收装置包括缆绳切割器和降落伞，可根据地面无线电指令切断科学仪器与气球本体的连接，并利用降落伞完成科学仪器的安全回收。能源及通信系统主要包括太阳能帆板、GNSS定位系统、热控及无线电通信系统：现代科学气球通常可以在高空连续工作数十至一百天，太阳能帆板可以为气球提供稳定的能源供应；GNSS系统可以随时记录气球的位置，便于规划科学观测和仪器回收；热控系统可以维持科学仪器处于较好的工作环境，不受外部低温影响；无线电通信系统可以实现地面对气球的操控，并完成科学观测数据的下传。

完全充气时，这些气球有150米宽，大约为一个足球场大小，能够达到40千米高度图1 高空科学气球上升至上层大气时的状态

在20世纪60～80年代的航天技术和空间天文学发展时期，高空科学气球是一种重要的空间探测工具。相比于早期的探空火箭，高空气球在飞行时间、工作稳定性、搭载仪器重量等指标上具有明显的优势，在X射线天文观测、γ射线天文观测和红外天文观测等不适宜地面观测的领域取得了多个开创性的成果。

中国的空间天文也是依靠高空科学气球起步的，在20世纪80～90年代，由中国科学院高能物理研究所、大气物理研究所和有关单位共同建设的高空科学气球系统实现了150多枚科学气球的释放，进行了空间天文、宇宙线和高能天体物理、空间物理、大气物理等数十个观测项目，取得了一批重要观测成果。

随着天文卫星技术的成熟，空间天文观测逐渐向人造天文卫星平台转移。但高空科学气球依然凭借成本低廉、研制生成周期短等特点，在空间天文观测项目，特别是使用新技术、新方法的空间天文仪器技术验证和低成本空间天文观测项目中起到重要作用，美国国家航空航天局（NASA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在21世纪后依然持续进行高空科学气球项目，每年的气球发射项目数量在5～10次。

随着航天技术的进步和人类对太阳系其他行星探测的深入，科学气球系统作为一种廉价高效的探测工具，国内外多家宇航机构已经开始研究如何在其他行星探测计划中使用科学气球系统搭载科研仪器（图2）。

图2 概念性的火星气球任务