圈里人为你解惑:探空气球是哪样?

作者:祝榕辰 徐文宽来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-10-24

那个“网红气球”真的不是探空气球。

  最近,确切地说是9月25日(搞科普我们是认真的),中国科学院发生了一件“大事”——一个科学实验气球飞丢了,正在重金悬赏发动群众“捉拿归案”,还占据了各大网媒的头条,各大搜索引擎的条目达到上百万条,甚至都得到了央视的关注,气球着实成了“网红”。

  一时间,我也被各种“骚扰”(见下图),原因是“网红”气球来自于中国科学院。为了不背这个锅,我只能一遍遍地为自己“洗刷冤屈”,“网红”气球来自于中国科学院大气物理研究所,而我来自于中国科学院光电研究院,虽然同属中科院,但是两个不同的研究院所。

微信

微信“骚扰”截图

 

  另外,更应该需要澄清的是,网红“气球”是系留气球(见下图),也就是有地面绳索栓系的浮空器,而非网文所说的“探空气球”。我所在的研究中心(微信公众号“浮空飞行器”)正是专门研究各种浮空器的,包括飞艇、系留气球、高空气球等。下面就我平生所学来扒一扒“探空气球”是哪样。

系留气球

“网红”气球(属系留气球)

居然还有研究气球的科研单位!

  说起气球,大家最早接触到的一定是五颜六色、可以用嘴吹的橡胶气球,也一定梦想过像《飞屋环游记》那样用气球把自己带上天。

       大家可能很难把气球和科研联系起来,但中科院确实有一个气球飞行器研究中心(中国科学院浮空器系统研究发展中心)。大家也许会想,中科院不是搞科研的地方吗,这个气球中心的任务难道就是做各种气球的?真正走进这里,你才会发现此气球非彼气球,高空科学气球属于浮空器的一类,主要用于科学试验和各类高空飞行任务。浮空器顾名思义就是主要依靠浮力作为主要升力来源的飞行器。这里进行飞行试验的动辄就是几万、几十万立方的高空科学气球,绝对是各种高大上,想要用嘴吹估计得全国人民一块来吹了。

       当然,高空气球可不能靠嘴吹,除非你是个活的快速氦气发生器。其一是因为空气是不能产生升力的,目前的浮空器基本都采用氦气;其二是因为每次发放使用的氦气排得用卡车来拉,而且充气操作往往要持续几小时之久。所以说,浮空器与咱小时候玩过的气球还是有很大的差别的。但是等真正参与到飞行试验中,发现原来这里还是有一种和玩具气球类似的东西,也就是今天要介绍的探空气球了。

探空气球

探空气球

探空气球的前世今生

  探空气球,顾名思义就是用来探测天空的气球,准确地说是探测从地面到几十公里高空的大气空间参数。在进行大型浮空器尤其是高空浮空器的飞行前,仅根据气象数据还无法很好地判断发放窗口和规划飞行路线,这就需要提前发放一系列探空气球,利用其数据来进行分析和预测。说起探空气球,研究气象方面的人士一定不会陌生,世界各地那么多气象站几乎每天都要发放探空气球来获取从地面到几十公里高空大气垂直剖面的参数。

  探空气球在二十世纪二十年代就得到了实际应用,它们一直被沿用至今并且没有多少根本性的变化。探空气球可以直接测量从地面至超过30千米高度的大气压力、温度、湿度以及风速风向等高空气象数据。它们价格低廉且发放简单,对于各地气象站的大量使用来说是非常合适的。直到今天,探空气球仍是高空气象最主要的直接探测方式之一,原因包括低成本、易操作、升速慢。您没听错,要平稳获取大气垂直剖面较密集的数据点,速度快了还真不行,尤其是对风层风场的直接测量。因为成本低,为了更准确地获取气象数据,就可以任性地发放很多探空气球,早上起来放一个,晚饭过后放一个,休闲娱乐放一个,全家团聚放一个。开个玩笑,实际上每一个探空气球的发放时间点和气球的发放数量都是根据计算要求严格执行的,毕竟气球不是你想放,想放就能放。

发放探空气球

发放探空气球

  探空气球基本为橡胶气球,其原料是天然橡胶乳胶,它比任何化学合成物质有着更优异的伸长特性,它在一个方向上的伸长率可以超过500%。形成这种特质的原因在于,橡胶是异戊二烯分子纵向排列成链状结构的聚合物,当橡胶分子不受外力作用时是一个具有大量弯曲的长链,所以当外力作用于橡胶时,分子链可拉伸范围极大;外力撤销后,橡胶便恢复到原来的状态。当在橡胶中添加硫进行硫化处理时,加入的硫在相邻的长链之间形成了交键,这提高了橡胶的弹性变形特性。橡胶气球在地面充入浮升气体后,逐渐呈现正球形,当气球上升时,材料不断拉伸,球体表面积不断增大,当气球到达其膨胀极限时就会爆炸,从而结束飞行过程。

爆炸的橡胶气球

爆炸的橡胶气球(截图来源:Google-Loon)

  橡胶气球的大小受到制造方法的限制,而且其有效载荷一般较小。橡胶气球自身的质量一般在几百克,探空仪的质量一般也在一千克以内,单人手持就可发放。根据充入的气体量可以控制气球的升速,同时也决定气球探测的高度。因为充入的气体越多,升速越快,但达到膨胀极限的高度也越低,在破裂之前探测的高度也低。所以实际使用时要根据对探测高度和升空速度(探测时效)的要求确定充气量。当然,这个方法仅限于特殊使用情况,气象站在使用时都是有一套成熟的操作规范的,只要照着做就好了。至于发放方式,风小的时候怎么都好说,把气球升起来,一撒手就行了。至于风大的时候嘛,就看你小脑的运算速度和身体协调能力了。等气球越升越高,又成了大家锻炼视力的好时候了,往往到最后变成一个小点的时候,眨一下眼就找不到了。

天上的气球去哪儿了

天上的气球哪去了?一眨眼,不见了

  探空仪内部安装有大气参数测量装置和GPS定位装置,同时配有供电能源,通过地面站天线对探空气球进行追踪并获取回传数据。大气参数探测一般包括大气温、湿度和当地大气压,GPS定位装置则用于获取位置及位置变化,以便推算高度、升速、水平风速风向等等。气球与探空仪之间一般都系有很长的拉绳,长度一般在十几米到几十米不等,以防止探空仪随气球大幅度摆动,影响GPS数据。当然,有些情况下也可以将探空仪直接连接至球体底部,一切根据探测需求而定。

探空仪

探空仪

  探空气球在完成使命后会爆炸并自由下落,由于探空仪本身重量极轻且外部一般包裹有很厚的泡沫,因此会产生很大的阻力,加上气球残留碎片的阻力,整个系统的降落速度会相对比较慢,至少不会对地面人员造成威胁。尽管如此,探空气球的发放还是应该尽量选在地广人稀的地方进行,因为你可以想象一下小朋友捡到一个从天而降的小方盒子时的心情。气球和探空仪一般不进行回收,因为成本实在是太低了。当然运气好的时候,也可能会落到距离发放地点的不远处,这样你就可以在外出散步的时候碰巧把它捡回家了。

  近些年来,很多高校的学生甚至爱好者们使用探空气球完成了各种各样的“临近空间”飞行。所谓临近空间,即介于人类活动的大气区域与外太空之间的空间,高度一般定义在20至100公里之间。探空气球可以携带几百克乃至公斤量级的小型无线电设备或其他电子设备,可以携带经过保温处理的小型相机进行航拍,还可以加装小型摄像机对升空过程和下降过程进行第一视角的记录,当然,你得在气球与设备之间安装一个降落伞、并且植入一套定位系统,才能将其完好地回收回来。甚至还有人在气球底部安装了一个自动排气系统,使气球在到达一定高度后自动排气使其达到浮重平衡,从而完成一段水平飞行。总之,气球就像一个高中物理实验课上的通用实验平台,你可以发挥你的聪明才智,想出各种飞行和试验的方式并将其付诸实践,在探索科学的同时,享受其中的乐趣。

国外学生自制的

国外学生自制的自动排气系统定高平飞装置

网友自制的

网友自制的探空气球用航拍系统

从平流层

从平流层拍摄到的地球画面

  

  后记:

       探空气球的应用只能停留在科学探索和兴趣爱好这个层面?非也。美军曾经投入数千万美元委托空间数据公司开发的“战斗天星”(Combat Skysat)系统,就是采用这种小型的探空气球将通信转发装置携带至20公里高空,为地面部队提供通信支援。

美国大兵

美国大兵发放“战斗天星”气球

  话说浮空器的军事应用由来已久。浮空器的一个特点就是体积大、飞行速度慢,在军事上比较适用于防御或支援场合。即便如此,浮空器也未能逃脱被用作攻击性武器的命运,比如从一战时齐柏林飞艇被纳粹用于轰炸英国,再到二战期间日本向美国发放的洲际气球炸弹等等。

  但气球更多地还是被用于造福人类。同样是那家空间数据公司,也曾推行过另外一个气球民用计划:“天站”(Skysite)计划,用探空气球携带通信载荷飞行至20公里高度,为美国在非洲的油气公司提供通信信号,而且信号覆盖率比地面发射塔还要好。这种低成本的“空中基站”为这些公司节省了大量开支。说起这个计划大家可能比较陌生,但最近几年大热的谷歌(Google)气球项目Loon其实就是以“天站”的设计理念为原型。两家公司最初还有过合作意向,可惜后来分道扬镳。当然,谷歌使用的气球已经是比探空气球不知先进多少倍的超压气球了。

工程人员

工程人员发放“天站”气球

  正所谓一念成佛,一念成魔,科技能够造福人类,也可以夺取人的生命,一切取决于操作它的人。作为设计者和使用者,我们能做的就是尽量利用这些工具为人类造福,但当国家主权受到侵犯、人性受到威胁时,我们也将不惜利用一切可能的力量防御自己、打击敌人。

 

作者:

祝榕辰:工程师,中国科学院光电研究院气球飞行器研究中心/中国科学院浮空器系统研究发展中心

徐文宽:高级工程师,中国科学院光电研究院气球飞行器研究中心/中国科学院浮空器系统研究发展中心

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