中國“流浪氣球”狂飆的背后藏著哪些科研功用？

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導(dǎo)語：提到氣球飄上天空，很多人或許會聯(lián)想到《飛屋環(huán)游記》里眾多五顏六色氣球的場景。若不是近期我國兩只高空氣球在北美洲“狂飆”，可能大家并未能聯(lián)想到“小氣球”還能如此“高大上”。我國科研氣球到底發(fā)展到什么水平，除了大氣探測，它又有哪些科研功用？

一、“流浪氣球”的百年宿命：搞“科學(xué)”

早在18世紀(jì)，氣球就被應(yīng)用于包括大氣物理在內(nèi)的科研領(lǐng)域。1783年，人類完成了首次氫氣球載人飛行，并搭載了氣壓計、溫度計等設(shè)備用于大氣探測，由此翻開了氣球的探空歷史。1902年德國氣象學(xué)家阿斯曼首次提出用橡膠氣球來探測大氣，1927年蘇聯(lián)氣象學(xué)家研究出無線電探空儀法，使氣球探空技術(shù)實(shí)用化。近年來，人們通過新聞與社交媒體，逐步認(rèn)識到各種科研氣球的存在。

1783年-人類首次完成氦氣球載人探空 圖源：壹圖網(wǎng)

1955年中國也研制成第一只探空氣球。經(jīng)歷一個甲子開支散葉后衍生出多個家族成員。此次“流浪氣球”事件中的主角就是一只典型的高空氣球（也稱為定高氣球、平飄氣球），它的工作高度通常在離地表10公里至50公里的高度；不僅僅是飄得高，能在一定時間內(nèi)保持較高高度、并作一定距離平飄運(yùn)動更是基本功。早在1990年中國就實(shí)現(xiàn)了其72小時四千余公里的長時間跨國飛行功能。

應(yīng)用規(guī)模更廣的快升式氣球工作于10--30千米的高度，軌跡上只需帶著探測設(shè)備快速上升用于探測垂直面上的大氣數(shù)據(jù)，到達(dá)相應(yīng)高度后在氣壓等作用下破裂便完成了使命，因此也受限于放飛地上那“一畝三分”的活動空間。此外，它們還有一個形態(tài)類似飛艇的異形兄弟——系留氣球（浮空艇），它最大的特點(diǎn)是在升空后通過纜繩將其拴在地面絞車或其他錨泊設(shè)施上，并通過調(diào)整纜繩長度控制其升空高度，因此它距離放飛地表高度通常僅數(shù)千米，并可反復(fù)回收使用。

我國也用這類氣球創(chuàng)下多個紀(jì)錄：2022年“巔峰使命”珠峰科考中，我國科學(xué)家完成10次升空大氣科學(xué)觀測，最高升空至9050米，創(chuàng)造了系留氣球原位大氣科學(xué)觀測的世界紀(jì)錄。

高空氣球

直升氣球 圖源：中航工業(yè)官網(wǎng)

系留氣球

除本次“氣球事件”中的高空氣球外，探空氣球還發(fā)展出可重復(fù)使用的系留氣球與使用成本僅千元、可重復(fù)使用的快升氣球。

二、“純天然”到“科技狠活”，小氣球經(jīng)歷了什么

探空事業(yè)早期的氣球都是“天然造”。無論是19世紀(jì)前的內(nèi)臟、皮革，還是此后到20世紀(jì)中葉的天然乳膠。讓氣球越來越充滿“科技狠活”的源頭就在于石化技術(shù)的發(fā)展。

科技狠活兒-乳膠氣球

普通橡膠由于拉伸特性，隨著高度攀升、氣壓降低，氣球內(nèi)與外界壓差越來越大，到達(dá)一定高度就因到達(dá)拉伸極限而爆裂；上千公里隨風(fēng)“狂飆”中還要不斷應(yīng)對高空風(fēng)速梯度剪切力的考驗；而數(shù)天甚至數(shù)十天的旅途更需要它能耐得住高空零下數(shù)十度引發(fā)材料低溫脆化問題。因此對氣球材料拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、 韌性、低溫性能等都有較高的要求。此次事件中的“流浪氣球”已不是橡膠氣球所能及的。

70年代后，國內(nèi)外均轉(zhuǎn)向為其能適應(yīng)長時間高空環(huán)境下作業(yè)的非膨脹性的薄膜塑料面料，如低密度聚乙烯材料，讓氣球膜體厚度與重量大幅減輕，僅用20多微米厚度即能承受數(shù)百千克甚至1噸載重。

90年代后，國內(nèi)進(jìn)一步改進(jìn)的線性低密度聚乙烯薄膜材料和含氟樹脂多層復(fù)合薄膜共擠薄膜，性能較傳統(tǒng)聚乙烯材料有了進(jìn)一步提升，其極限拉伸率提高超過30%，埃爾門多夫撕裂性達(dá)2-3倍以上。更能適應(yīng)漫長旅程的溫差變化，可耐高低溫、長期使用溫度在150℃~150℃范圍內(nèi)，抗紫外線老化能力更強(qiáng)。這也是我國此次兩顆氣球能在數(shù)萬米高空“流浪”許久的奧秘之一。非膨脹性薄膜材料的推陳出新讓我國高空氣球不斷做大。

非膨脹性薄膜材料

非膨脹性薄膜材料

三、“流浪氣球”如何聆聽天空之聲

探空氣球重要的是獲取從地面到數(shù)萬米的各種參數(shù)。比如分布全球各地的1200多個探空氣象站，每天會在世界時0時、12時進(jìn)行兩次釋放（一次性快升式探空氣球）以搜集這些數(shù)據(jù)。對探空氣球來說，無論哪種形態(tài)，最核心的自然還是各類探測設(shè)備。

全球探空氣球站分布圖-中國占1/10-參與7成全球大氣數(shù)據(jù)

最基礎(chǔ)的溫度、氣壓、空氣濕度等大氣參數(shù)就是依靠氣球下一個像小盒子的裝置——探空儀獲得。

1956年我國研制成功機(jī)械式探空儀，并發(fā)展出機(jī)電式59型探空儀，成為此后半個世紀(jì)大氣觀測的主力之一。但機(jī)電式探空儀靈敏度低，溫度、輻射誤差和滯后系數(shù)大，2002年開始中國氣象局逐漸將其升級為GTS型數(shù)字探空儀，探測靈敏度與采取速率極大提高。當(dāng)氣球從0到30千米、以400米/分鐘的速度升空時，探空儀就猶如一個CT掃描儀，以每1.2秒/次速度低空到高空逐層掃描。

國產(chǎn)59型探空儀 圖源：中國氣象網(wǎng)

國產(chǎn)GTS型數(shù)字探空儀 圖源：中國氣象網(wǎng)

對風(fēng)向、風(fēng)速等高空風(fēng)的測量，探空氣球則不完全“單打獨(dú)斗”。60年代我國研發(fā)出P波段701型雷達(dá)，通過跟蹤探空氣球掛載的無線電信標(biāo)測算漂移、空間的仰角方位等來觀測風(fēng)向風(fēng)速，并實(shí)時接收探空儀發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，到本世紀(jì)初又開發(fā)出精度更高的L波段二次測風(fēng)雷達(dá)。

國產(chǎn)701雷達(dá) 圖源：中國氣象網(wǎng)

國產(chǎn)L波段測風(fēng)雷達(dá) 圖源：中國氣象網(wǎng)

當(dāng)然，此次跨越洲際的國產(chǎn)高空氣球已經(jīng)明顯超過了地面雷達(dá)輔助測量的距離（通常在200km）。2016年以來，我國先后攻克多通道雙向通信接收設(shè)備、高精度氣象專用北斗導(dǎo)航芯片，使高空氣球通過導(dǎo)航衛(wèi)星即可通過運(yùn)動軌跡記錄解算沿途的風(fēng)速、風(fēng)向等信息，其作業(yè)范圍越來越廣、探測時間越來越長。多重技術(shù)加持使我國各型高空氣球支持的探空站網(wǎng)絡(luò)精度也越來越高，預(yù)報數(shù)據(jù)可用率從上世紀(jì)末的40%提高90%，風(fēng)分析場標(biāo)準(zhǔn)差減小約2%，風(fēng)、濕度和高度測量結(jié)果已對標(biāo)世界氣象組織探空觀測的最高目標(biāo)。

四、“把脈天空”之余，“流浪氣球”還有新任務(wù)

隨著我國科研氣球越造越大、飄得越來越高、載荷能力越來越強(qiáng)，“天空之眼”的眼界越來越廣，自上世紀(jì)末，它就帶著太陽紅外觀測望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)我國對脈沖星周期的首次測量。同時，也搭載著硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡解決了過去X/γ射線天文觀測的難題，有關(guān)探測與技術(shù)驗證成果成為日后我國“慧眼”號天文衛(wèi)星的先聲。

2018年，中科院更是啟動了“鴻鵠”專項計劃，通過高空氣球搭載相關(guān)設(shè)備開展臨近空間環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)綜合科學(xué)探測任務(wù)。迄今已發(fā)放十余個高空氣球，取得了一批重要科學(xué)數(shù)據(jù)。

即將參加“鴻鵠”專項的高空氣球

除了空間探測，神舟四號飛船所搭載微重力實(shí)驗設(shè)備的先期驗證工作，以及近年來針對國內(nèi)各種航天器和臨近空間飛行器太陽電池的空間標(biāo)定測量也都借上高空氣球的東風(fēng)，甚至連發(fā)射任務(wù)都能看到它的身影。

去年4月，科研單位將高空零壓氦氣球改造為臨近空間空基發(fā)射平臺，帶著數(shù)百公斤重探空火箭飛至數(shù)十萬米高的同溫層，通過遙控實(shí)現(xiàn)空中點(diǎn)火發(fā)射；同年9月，這一指標(biāo)再次刷新，完成載重能力1.2噸、飛行高度30千米重載飛行，之后又投入到一些大尺寸無人機(jī)、火箭等飛行器的臨近空間發(fā)射任務(wù)中。

即將升空的臨近空間空基發(fā)射平臺火箭

結(jié)語：

經(jīng)過十幾年發(fā)展，我國各類科研氣球技術(shù)已較為成熟并達(dá)到了一定水平，它的業(yè)務(wù)也不再局限于大氣物理領(lǐng)域，在氣球空間天文、微重力科學(xué)、空間生物和育種等方面也取得了多項研究成果。未來，隨著我國氣球技術(shù)的發(fā)展，“氣球們”會在更高、更遠(yuǎn)處替我們凝望世界的天空。

參考文獻(xiàn)：

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http://ah.weather.com.cn/tqyw/10/2785887.shtml

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